燒料礓石在土遺址加固中的研究綜述

黨 冰，李琦峰，李丹丹，孔垂鵬

（1.甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

土遺址是以土為主要建筑材料的遺址，是不#移動的文物，這些文物具有極其豐富的歷史、藝術、社會、文化價值。但自然因素和人為因素的存在，使得與土遺址的載體有關的區域性病害和遺址本體的病害迅速發展，土遺址整體保存狀態較差。我國土遺址時代普遍早，掏蝕、坍塌、裂隙、片狀剝蝕、沖溝等病害嚴重[1-5]。因此，文化遺產急需保護。目前，對土遺址加固的研究很多，更傾向于在防風化研究、灌漿材料研究、錨固技術研究等方面。

經過前面學者幾十年的不斷研究，土遺址保護加固材料在很多工程中也已經取得成功。其中，燒料礓石作為一種環保型固化劑，被很多學者應用到加固巖土質文物領域中，但目前對燒料礓石加固土遺址主要是在料礓石的成分、固化機制以及適用性方面進行了大量的研究。

針對前面學者取得的一些研究成果，從理論到實踐，不論是同一土遺址不同加固方式還是同種加固方式的不同土遺址之間，是否具有參考依據，這都需要我對其不斷進行總結歸納，為進一步研究提供重要參考。

2 土遺址加固現狀

土遺址作為不#移動的文物，由于其本身所具有的不#再生性，一旦破壞將造成巨大的損失。因此，應及時對具有安全隱患的土遺址進行保護。土遺址保護相較于器物與石質古建筑保護而言較晚，土遺址保護真正意義上是從20世紀60年代開始，國內土遺址保護是從20 世紀80年代末才開始在很少的地方進行土遺址科學保護實驗研究，直至21世紀初，文物保護的研究內容逐步廣泛且達到了較高水平[6]。

在土遺址防風化材料的研究方面，張緒柘等[7]利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等有機溶劑分散體系從土體的重量、色度和抗崩解能力等方面進行了實驗分析，實驗結果表明，抗風化效果優良的是4%～6%的PMMA丙酮溶液。楊雋永等[8]以印山越國王陵墓坑邊坡加固為工程依托，對幾種化學材料的加固效果分別從加固前后、外觀狀態、力學強度、耐水性能以及滲透性能等方面進行了比較，正硅酸乙酯加固效果優于其他材料，符合設計要求。王旭東等[9]對西夏3號陵風化程度較輕、裂縫相對較少的部位，采用一定模數的PS材料直接滲透加固取得了成功；Chiari[10]對伊拉克兩遺址的風干磚采用丙烯酸樹脂、正硅酸乙酯-乙醇體系和聚醋酸乙烯酯進行了加固。Saleh等[11]采用四乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酸甲脂-丙烯酸丁脂共聚物在埃及兩個古遺址中已成功應用。學者Degirmenci N.和Baradan B.[12]發明了一種飛灰、熟石灰、泥磚粉末和水的混合粘合劑的新型土遺址保護材料，此保護材料粘合性、耐酸堿和耐鹽性較好，但是對遺址表面形貌和顏色影響較大。郭青林[13]對內蒙古元上都遺址采用5%、7%PS材料進行加固，加固后耐候性能和抗風蝕性能明顯提高，采用PS材料加固效果明顯。王旭東[14]對新疆的交河故城、高昌故城、米蘭遺址、石頭城遺址以及敦煌境內的長城烽燧等采用PS滲透加固措施效果良好，其防風化效果顯著。

在土遺址灌漿材料的研究方面，在對土遺址裂縫灌漿填充和破碎塊粘連時，一般以水泥砂漿和PS系列材料為主要原料的漿液。和法國等[15]對瓜州破城子遺址土采用PS材料進行了加固研究，研究了遺址土加固后的強度，結果表明，加固后強度效果得到顯著提高。歐陽先庚等[16]對新疆交河故城遺址采用不同濃度的PS材料進行了加固研究，研究結果表明，經PS材料加固后的土樣力學強度得到提升。楊璐等[17]對交河故城采用不同水灰比PS-C漿液為保護灌漿對其進行了加固。和法國[18]利用PS材料對交河故城典型崖體41-5亞區的裂隙進行了灌漿處理，對灌漿前后的數值模擬和計算，結果表明灌漿后穩定性系數得到明顯提高。裴強強等[19]采用模數為3.85和濃度為5%的PS溶液對吐魯番地區交河故城遺址土進行了加固。諶文武等[20]對以SH溶液為主劑，粉煤灰、土遺址原生土與生石灰（SH-（C+F+CaO））為灌漿材料對西北地區土遺址進行加固研究，研究結果表明，收縮變形性、力學性能、耐久性有所提升，適宜作為西北地區土遺址裂障注漿材料。

在錨固技術研究方面，美國最先開始應用錨固技術。1911年，美國人利用巖石錨桿來支護礦山巷道，此后錨固技術得到廣泛傳播。在國外，錨固技術常被用來維護巖土邊坡的穩定[21]。而在我國，大約在20世紀80年代初，巖土錨固技術被引進用于石窟寺危巖體的保護加固工程中，并取得成功[22]。而在土遺址保護方面，直到90年代初，錨桿技術才逐漸被引進利用起來。文物保護加固工程中錨固技術的使用始于20世紀80年代初，最先在甘肅的麥積山石窟中進行，繼而在如云岡石窟、炳靈寺石窟、龍門石窟、蓬萊丹崖等各種大型石刻造像的保護中被應用，都取得了良好的效果[23]。石玉成等[24]以新疆吐魯番的交河故城為依托，基于有限元折減法，對木質錨桿加固土遺址坡體的#行性進行分析評價，分析結果表明，采用木質錨桿加固土遺址坡體是#行的。王玉蘭[25]以新型碳纖維楠竹錨桿為研究對象，采用原位試驗從不同錨長，錨桿直徑，孔徑和肋間距等方面對碳纖維楠竹錨桿的破壞模式和錨固性能進行了研究，研究表明建議參數錨長、錨桿直徑、孔徑和肋間距應分別設置為1 200～1 500 mm、35～55 mm、1.5～2.5 mm和60～80 mm為宜，注漿體強度僅在小范圍內有所提高。

3 料礓石分析

料礓石材料是在20世紀70年代被Li等[26]發現的，是在對甘肅秦安大地灣仰韶時期人類居住房屋地面遺址材料進行科學研究時發現的，對料礓石材料的初步研究后認為料礓石是我國最早使用的水硬性石灰。料礓石是黃土中沉積礓結石，主要礦物成分為70%～80%的碳酸鈣和20%～30%的黏土[27]。

在初步研究的基礎上，趙林毅等[28]研究了對不同溫度的料礓石進行了改性研究，研究表明#通過控制溫度對料礓石成分進行控制，從而得到適用于不同巖土類文物修復材料。燒料礓石固化機制[29]主要包括以下兩個方面：

1）水化反應。燒料礓石中含有的水硬性膠凝成分β-CaSiO3和Ca2Al2Si2O8，水硬性組分β-CaSiO3和Ca2Al2Si2O8與H2O快速進行水化反應，生成β-CaO·SiO2·nH2O及2CaO·Al2O3·SiO2·nH2O；同時，氣硬性成分CaO，先與H2O反應生成Ca（OH）2，開始產生初始強度。改性后的料礓石與水接觸后的反應如下：

2）碳化反應。后期，氣硬性成分CaO與H2O反應后生成Ca（OH）2，再逐漸吸收土體中CO2，碳化生成CaCO3，以上反應過程#描述為：

4 土遺址中燒料礓石的應用

近年來，很多學者逐漸將研究領域延伸到利用燒料礓石加固巖土質文物，李黎等[30-31]對中國古代建筑傳統硅酸鹽材料料礓石及其化學組成和物理力學特性進行對比研究，研究發現改性的料礓石#用于修復加固石質、土質及磚、陶質類等文物。Zhang等[32]研究土遺址錨固漿液時，以石英砂、粉煤灰和燒料礓石為主材對其進行研究，研究結果表明，燒料礓石-粉煤灰漿液具有高抵抗力的方面為溫濕度變化、堿性環境和硫酸鹽侵蝕，而燒料疆石-石英砂漿液則具有高抵抗力的方面為凍融循環和水環境。王南等[33]以土遺址錨固注漿中常用的高模數硅酸鉀溶液、燒料礓石、粉煤灰等作為主要漿體材料，木錨桿錨固系統為研究對象，通過室內及現場試驗對其進行研究，研究結果表明對漿體-土體界面的黏結性能有突出影響的是養護環境的溫濕度條件和混合漿液膠凝劑的固化作用。任曉茹等[34]以燒料礓石與紅沙堡遺址土按同質量比混合而成的灌漿料為研究對象，對其齡期性能進行研究，研究發現收縮率、含水率和彈性波速在28 d時趨于穩定，強度在90 d時趨于穩定，且滲透系數和密度與遺址土相似，研究驗證了該漿液作為錨固灌漿料的適用性。諶文武等[35]以燒料礓石為灌漿基料，夏官營遺址土為拌合料，對燒料礓石漿液結石體試樣進行了物理性質、水理性質等室內試驗的測試，測試結果表明結石體結構穩定、整體性好，且耐雨蝕能力強，是一種合適的土遺址灌漿材料。王南等[36]研究了燒料礓石、粉煤灰及石英砂不同摻料比例在固定流動度條件下性能，通過檢測180 d齡期內收縮率、密度、滲透性及力學強度等，檢測結果表明最具兼容性需求的是燒料礓石與石英砂質量比1∶1的錨固漿液。

5 結論

土遺址作為一種歷史、社會、文化、藝術價值極高的文物資源，這些文物資源由于自然因素和人為因素的雙重影響使得其整體保存狀態較差，隨著人們對土遺址保護越來越重視，對土遺址保護的研究也越來越深入，這些研究主要集中在土遺址防風化材料研究、灌漿材料研究、錨固技術研究等方面。在研究環保型加固材料料礓石方面，學者主要對料礓石的成分、固化機制以及燒料礓石適用性進行了大量的研究，但在利用燒料礓石進行土遺址加固方面，主要對利用燒料礓石作為灌漿材料在土遺址保護中的應用進行了研究。對土遺址的加固及加固材料的研究文中雖有較多成功案例，但仍需繼續探究。