李琦峰，黨 冰，孔垂鵬

（甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

土遺址作為文物古跡的一種，是從石器時(shí)代開始的，是以土作為主要材料的建筑[1]。中國歷史悠久，擁有極為豐富的文物資源，這些文物資源的歷史、藝術(shù)、社會、文化價(jià)值突出，但普遍時(shí)代早，掏蝕、坍塌、裂隙、片狀剝蝕、沖溝等病害嚴(yán)重[2-11]，整體保存狀態(tài)較差。對遺址本體產(chǎn)生的危害主要是自然威脅，但自然力的破壞是一個(gè)長期的過程，破壞速度緩慢；其次是人為威脅，人為威脅雖然危害較小且短暫，但破壞力明顯。自然因素和人為因素兩方面共同作用，使得土遺址嚴(yán)重破壞。

針對風(fēng)、雨、水、鹽類活動(dòng)等單獨(dú)或組合作用下不斷掏蝕凹進(jìn)形成的底部掏蝕、中部掏蝕等可能引起遺址穩(wěn)定性的病害，主要采取的加固措施有夯土補(bǔ)筑和土坯砌補(bǔ)[12]，此加固措施在高昌故城、交河故城等墻體掏蝕坍塌區(qū)的加固保護(hù)中已成功應(yīng)用[13-17]。在使用土坯砌補(bǔ)及夯土補(bǔ)筑2種方式對土遺址進(jìn)行支頂加固[18]，夯補(bǔ)相較于砌補(bǔ)的優(yōu)勢是：一方面，夯補(bǔ)擁有和遺址本體相同的制作工藝；另一方面，夯補(bǔ)體自身具有一定的穩(wěn)定性，抗風(fēng)、耐雨蝕能力較強(qiáng)。但夯補(bǔ)也存在一些缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)是夯補(bǔ)產(chǎn)生的振動(dòng)會對遺址本體影響[19-21]；傳統(tǒng)砌補(bǔ)方式也容易造成新砌部位和原遺址分離。

近年來，很多學(xué)者逐漸將研究領(lǐng)域延伸到利用料礓石加固巖土質(zhì)文物領(lǐng)域中，在對料礓石進(jìn)行初步研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，其主要礦物成分為70%～80%的碳酸鈣和20%～30%的黏土[22]，是一種無毒、無污染的材料。在初步研究的基礎(chǔ)上，趙林毅等[23]研究了700～1 400 ℃煅燒溫度對料礓石材料的改性效果，其結(jié)果表明發(fā)現(xiàn)隨著煅燒溫度的升高，水硬性組分β-硅酸鈣和鋁硅酸鈣含量增加，而氣硬性成分石灰氧化鈣在1 100 ℃時(shí)含量最高。李黎和趙林毅[24]對燒料礓石固化機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其主要包括水化反應(yīng)及碳化反應(yīng)。李黎等[25-26]對中國古代建筑中兩種傳統(tǒng)硅酸鹽材料料礓石和阿嘎土以及古建筑中幾種石灰類材料的物理力學(xué)特性進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)改性的料礓石可用于土遺址的加固；諶文武等[27]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(jié)石體試樣進(jìn)行物理性質(zhì)、水理性質(zhì)等室內(nèi)試驗(yàn)，研究結(jié)果表明結(jié)石體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、整體性好，且耐雨蝕能力強(qiáng)，是一種合適的土遺址灌漿材料。

將料礓石引入巖土質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域，前面的學(xué)者主要從料礓石成分、固化機(jī)制、適用性及燒料礓石拌合遺址土灌漿方面進(jìn)行了研究。燒料礓石也可被用于加固土遺址掏蝕區(qū)。因此，基于臨潭縣牛頭城遺址掏蝕區(qū)加固工程，針對含燒料礓石固化土的耐候性、力學(xué)特性以及色度差異進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究，所得結(jié)論可為燒料礓石改性土夯筑加固土遺址提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料

以臨潭縣牛頭城遺址附近的黃土作為夯筑材料，燒料礓石作為固化劑。圖1為夯土材料。對牛頭城遺址附近的黃土按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進(jìn)行測試，測該黃土的基礎(chǔ)物理性能和參數(shù)。其中，圖2為土樣粒徑分布曲線，表1為黃土基本物理性質(zhì)。

圖1 夯土材料

圖2 土樣粒徑分布曲線

表1 臨潭縣牛頭城遺址附近黃土的基本物理性質(zhì)

采用1 100 ℃時(shí)的燒料礓石進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的研究，燒料礓石固化機(jī)制主要包括：

（1）水化反應(yīng)。

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(jìn)行水化反應(yīng)，生成β－CaO·SiO2·nH2O及2CaO·Al2O3·SiO2·nH2O；同時(shí)，氣硬性成分CaO，先與H2O反應(yīng)生成Ca（OH）2，開始產(chǎn)生初始強(qiáng)度。改性后的料礓石與水接觸后的反應(yīng)如下：

（2）碳化反應(yīng)。

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

3 試驗(yàn)方法

將所取夯筑黃土配成燒料礓石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、4%、8%低摻量下的改性土。在最大干密度和最優(yōu)含水率條件下，使用不同規(guī)格模具制作含不同燒料礓石摻量的土樣，制作用于崩解、收縮、色度差異的土樣時(shí)需分層夯實(shí)，且每層采用土工刀進(jìn)行“打毛”，采用靜壓法對測試抗剪強(qiáng)度的土樣進(jìn)行制作。對制成的土樣進(jìn)行脫模處理，進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，養(yǎng)護(hù)條件為室內(nèi)溫度（25±2）℃和室內(nèi)相對濕度（30%±2%）。

3.1 崩解性試驗(yàn)

崩解試驗(yàn)使用規(guī)格為50 mm×50 mm×50 mm 的土樣，參考 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進(jìn)行崩解試驗(yàn)，測試土樣在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的崩解率，設(shè)置崩解情況的測試時(shí)間節(jié)點(diǎn)為土樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間的1 d、7 d、14 d，通過崩解率來評價(jià)不同土樣的崩解性能。崩解率At的計(jì)算方法見式（5）。

式中：Rt為t時(shí)刻液面處對應(yīng)的浮筒刻度（mm）；Ro為浮筒剛進(jìn)入水中達(dá)到瞬時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)試驗(yàn)開始時(shí)液面處對應(yīng)的浮筒刻度（mm），Rf為未裝載試樣時(shí)液面處對應(yīng)的浮筒刻度（mm）。

3.2 收縮性試驗(yàn)

用于掏蝕區(qū)加固的新夯土，其密實(shí)程度主要受干縮的影響較大。因此，使用規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的土樣，對不同摻量的土樣進(jìn)行收縮測試，測試不同時(shí)間點(diǎn)的收縮情況，由于土樣含水量較高時(shí)，土樣會出現(xiàn)快速失水、干縮，所以設(shè)置測試的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為脫模后40 min、1 h、3 h、6 h各測一次，往后一天一測，測試試驗(yàn)所用的儀器為游標(biāo)卡尺。對土樣在制作、脫模后收縮程度的表征采用線縮率δi。線縮率的計(jì)算方法見式（6）。

式中：δi為某時(shí)刻的軸向線縮率（%）；Zi為某時(shí)刻游標(biāo)卡尺的讀數(shù)（mm）；Zo為開始時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)（mm)；ho為開始時(shí)土樣的長度。

3.3 抗剪強(qiáng)度

使用Φ61.8 mm×20 mm的土樣，調(diào)整剪切速率為0.8 mm/min對其進(jìn)行快速剪切試驗(yàn)，取4個(gè)平行土樣，分別施加50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的軸向壓力，在垂直壓力的作用下，施加水平剪切力對土樣進(jìn)行剪切。研究不同摻量（0、4%、8%）條件下的抗剪性能。

3.4 色度差異試驗(yàn)

針對土遺址加固，不同材料和加固工藝的使用會造成原遺址土體和掏蝕區(qū)新夯土體的顏色有所差異，又文物保護(hù)應(yīng)遵循“修舊如舊”的原則。因此，色度是判斷材料是否適宜的一個(gè)重要指標(biāo)[28]。故使用規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的土樣，參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019），對不同摻量的土樣進(jìn)行色度測試。對各土樣分別選取3個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測試，如圖3所示。設(shè)置測試的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為每天一測，測試不同時(shí)間點(diǎn)的色度情況。根據(jù)公式（7）計(jì)算色差值△Eab。

圖3 色差試驗(yàn)試樣

式中：△L表示明暗差異；△a表示紅綠程度差異；△b表示黃藍(lán)程度差異。

4 結(jié)果與討論

4.1 崩解性試驗(yàn)

圖4是養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d土樣的最終崩解狀態(tài)。崩解性試驗(yàn)中的土樣，在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間其崩解情況有所不同，不同摻量的土樣在水中經(jīng)歷的過程不同，但基本都會經(jīng)歷前期、中期和后期3個(gè)階段，土樣的崩解現(xiàn)象基本表現(xiàn)為在試驗(yàn)進(jìn)行的前期土樣剛浸入水中時(shí)，表面出現(xiàn)氣泡但未見明顯的崩解，此階段的崩解量較??；在試驗(yàn)進(jìn)行到中期時(shí)，土體開始從最外層棱角處最先開始崩解，隨即少量剝離掉落，緊接著出現(xiàn)大部分崩解，土塊開始崩塌；在試驗(yàn)進(jìn)行到后期時(shí)，摻量為0的土樣，在后期其崩解結(jié)果是土樣基本完全崩解，摻量為4%的土樣后期崩塌成顆粒較小的堆狀，但摻量為8%的土樣崩塌成有塊狀的碎樣。

圖4 土樣養(yǎng)護(hù)14 d后最終崩解狀態(tài)圖

通過式（5）計(jì)算其崩解率，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖5表征了養(yǎng)護(hù)時(shí)間和摻量與崩解量的關(guān)系，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間和摻量的增加崩解量逐漸減小。摻量大且養(yǎng)護(hù)時(shí)間長的土樣崩解速度比較緩慢，而摻量小且養(yǎng)護(hù)時(shí)間短的土樣崩解速度快。不同摻量的土樣雖然崩解速率不同，但總體上均呈現(xiàn)出摻量越大其崩解速率越緩慢的趨勢。

圖5 土樣的崩解率

4.2 收縮性試驗(yàn)

收縮性試驗(yàn)中試樣的線縮率和質(zhì)量變化分別如圖6、圖7所示，圖6表征了不同摻量的土樣收縮大體趨勢相同，但收縮程度略微有所不同。其收縮主要發(fā)生在脫模后前兩天，隨著土中孔隙水的減少，土體體積產(chǎn)生收縮，土樣的線縮率會出現(xiàn)變化，這是相對于自身含水量而言其相應(yīng)的體積發(fā)生了變化。圖7表征了土樣的質(zhì)量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況，其呈現(xiàn)出了與土樣的線縮率相似的反向變化趨勢。當(dāng)土樣含水量較高時(shí)，土樣會出現(xiàn)快速失水、干縮；當(dāng)含水率變低后，土樣的收縮速度降低。

圖6 土樣線縮率變化趨勢

圖7 土樣質(zhì)量變化趨勢

4.3 抗剪強(qiáng)度

對不同摻量的土樣進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)14 d后得到不同摻量的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖8所示。不同摻量土樣的剪切荷載-位移曲線均經(jīng)歷了上升段、下降段和收斂段，但相同垂直壓力下，摻量大的土樣抗剪強(qiáng)度強(qiáng)。上升段時(shí)從開始加載至峰值荷載時(shí)，剪切荷載-位移約成比例增長。下降段時(shí)宏觀裂縫不斷擴(kuò)展延伸，逐漸形成一條貫穿的平直裂縫，土樣被剪切成兩部分，因此，抗剪強(qiáng)度開始減小。收斂段時(shí)剪切荷載下降非常緩慢，且相對穩(wěn)定，該階段土樣已完全破壞。碳化反應(yīng)產(chǎn)生的硅酸鈣、鋁硅酸鈣等晶體是產(chǎn)生強(qiáng)度的原因，晶體是決定后期強(qiáng)度的主要因素。其次是離子交換的出現(xiàn)，使土壤顆粒表面吸附Ca2+形成的擴(kuò)散層變薄，土壤顆粒的分散性降低，大量分散的土壤顆粒形成較大的土壤顆粒團(tuán)，從而提高土壤的強(qiáng)度。

圖8 不同摻量土樣的抗剪強(qiáng)度

4.4 色度差異試驗(yàn)

對不同摻量的土樣進(jìn)行色度差異測試，每種摻量經(jīng)過脫模后測試了其表面的色度情況，每個(gè)摻量土樣測3個(gè)點(diǎn)，根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算不同摻量土樣與未摻量色度L、a、b的差值，并根據(jù)公式（7）計(jì)算色差值。摻量為4%和8%的土樣經(jīng)過16 d天后表面色度變化情況的計(jì)算結(jié)果分別如圖9、圖10所示。

圖9 摻量色度值為4%的變化情況

圖10 摻量色度值為8%的變化情況

結(jié)果表明，燒料礓石的摻量使得土樣表面的顏色略有變化。與未加燒料礓石的土樣相比，固化土的Δa和Δb指標(biāo)變化較小，且各指標(biāo)變化趨勢相似。但是，ΔL的變化較明顯，并且ΔEab的值與ΔL相似。因此，土樣表面顏色的明暗度是色差的主要影響因素。但總色差值ΔEab均在3以下，基本滿足土遺址保護(hù)要求[29]。

5 結(jié)論

支頂加固為土遺址保護(hù)加固的方式之一，支頂加固使用的夯土材料會影響支頂加固的效果，因此采用室內(nèi)試驗(yàn)對含燒料礓石的固化土進(jìn)行了耐候性能、力學(xué)性能及色度差異的研究。

燒料礓石的引入可以有效地提高土樣的抗崩解性、抗收縮性。土樣崩解率隨摻量和齡期的增加而減少。土樣養(yǎng)護(hù)14 d后，隨著燒料礓石摻量的增加，土樣的崩解率從100%降到51.72%。不同摻量土樣的收縮趨勢相似，試樣在早期收縮率變化較快，但不同摻量的土樣收縮程度不同，總體而言，高摻量的土樣收縮較小。

燒料礓石的加入也可使土樣的抗剪強(qiáng)度有所提高。土樣養(yǎng)護(hù)14 d后，4%和8%摻量的土樣比未加固時(shí)增加了10.79%和47.25%。燒料礓石的加入使土樣表面顏色發(fā)生輕微變化，且主要是明暗程度的變化，4%和8%摻量的土樣總色差值分別為1.9和2.4，但總色差值均在3以下，符合土遺址保護(hù)要求。