張迎敏,諶文武,楊光,戴鵬飛,李永杰
(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州,730000;2.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津,300222;3.浙江省古建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州,310014)
土遺址是指人類在不同歷史時(shí)期生產(chǎn)、生活而遺留下來的以土為主要建筑材料的遺跡,在中國歷史、文化以及民族精神中具有崇高的地位[1]。然而,土遺址受自然環(huán)境、人為破壞等因素影響,病害發(fā)展迅速,多數(shù)土遺址正面臨著嚴(yán)重的威脅,因此,對土遺址進(jìn)行保護(hù)加固已刻不容緩[2]。國際古跡遺址理事會(huì),美國蓋蒂文物保護(hù)所、國際羅馬文物保護(hù)修復(fù)研究中心、敦煌研究院、蘭州大學(xué)文物保護(hù)研究中心等土遺址保護(hù)機(jī)構(gòu)對土遺址保護(hù)進(jìn)行了大量的研究工作,但土遺址的表面風(fēng)化問題未能很好的解決,化學(xué)加固仍然是現(xiàn)階段的重要加固手段。有機(jī)材料具有良好的滲透性、黏接性和耐水性,已在很多實(shí)際工程中得以應(yīng)用[3-4],如納米二氧化硅可以有效增加黃土的抗壓強(qiáng)度[5],但也存在滋養(yǎng)微生物、耐老化性差[6-7]等問題。以石灰水[8]、堿性硅酸鹽[9]為代表的無機(jī)材料因具有優(yōu)良的兼容性和耐久性[10],近年來已成為化學(xué)加固的探索方向,但其滲透性較差,往往會(huì)堵塞遺址表面孔隙形成局部硬殼,造成遺址表面開裂脫落。因此,無機(jī)材料目前還未能很好地取代有機(jī)材料的補(bǔ)強(qiáng)作用,將二者進(jìn)行復(fù)合是相對簡單有效的加固方法。曾余瑤等[11]將石灰與糯米漿、蛋清進(jìn)行配比,驗(yàn)證了無機(jī)和有機(jī)復(fù)合加固劑良好的黏接能力、耐水性和耐老化性能。CHEN等[12]通過對比復(fù)合加固劑與單一材料加固后土體的性能發(fā)現(xiàn)復(fù)合加固劑可以有效改善加固效果?;趶?fù)合加固劑一系列優(yōu)良的性能,本文選取微米石灰和硅酸乙酯混合的方式進(jìn)行加固。常規(guī)的加注方法包括涂刷、鉆孔滴注、浸泡、毛細(xì)吸收等[3]。目前關(guān)于固化劑加注方法對土體透氣性和力學(xué)特征的改變的研究還沒有取得顯著的成果。根據(jù)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則[13],加固材料不應(yīng)過多改變土遺址原狀。若透氣性降低太大,將導(dǎo)致遺址內(nèi)部和外界環(huán)境之間物質(zhì)和能量交換受阻,水汽、易溶鹽等在阻斷界面聚集,遺址將受高低溫交變體積脹縮而發(fā)生坍塌、裂隙和剝落等病害[14]。此外,加固后的強(qiáng)度問題是文物保護(hù)的另一核心問題。加固材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度,以緩解損傷,但加固后強(qiáng)度增強(qiáng)不宜過大,以免內(nèi)外層應(yīng)力差過大而產(chǎn)生開裂剝落等威脅遺址保存的現(xiàn)象[15]。因此,加固后土體的透氣性和強(qiáng)度是文物保護(hù)的關(guān)鍵問題。本文作者研究固化劑加注方法對土體透氣性及力學(xué)特性的影響,以尋求具有良好加固效果的加注工藝?,F(xiàn)場工程實(shí)例表明,土遺址風(fēng)化層的厚度一般為3~5 cm,由于不同加注方法的加固深度存在差異,故將復(fù)合加固劑分別以鉆孔注漿、浸泡、毛細(xì)吸收和表面噴灑4種方式對永昌明長城遺址土進(jìn)行加固,通過固化劑的有效吸收量控制試樣的透氣性,并對加固后試樣表面和整體力學(xué)特性的變化進(jìn)行評價(jià)。
復(fù)合加固劑選用的有機(jī)材料是上海德賽堡建筑材料有限公司生產(chǎn)的碧林@增強(qiáng)劑(型號(hào)為KSE OH300),為硅酸乙酯增強(qiáng)材料,其與建筑材料孔隙或空氣中的水分發(fā)生反應(yīng),無定形的水合二氧化硅與土顆粒相連,作為黏接物沉淀下來,具有補(bǔ)強(qiáng)作用。硅酸乙酯憑借其超強(qiáng)的滲透性,已在潮濕地區(qū)和西北干旱地區(qū)多處土遺址及石質(zhì)文物保護(hù)中推廣使用[4,16-17]。
選用的無機(jī)材料是該公司生產(chǎn)的碧林@微-納米石灰(型號(hào)為NHL-010)。石灰水自20世紀(jì)初就已被文物保護(hù)工作者嘗試使用,后因其常溫下濃度低,滲透深度小而被棄用;隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)改進(jìn)后的微-納米石灰克服了傳統(tǒng)石灰水的缺點(diǎn),成為極具發(fā)展?jié)摿Φ募庸滩牧?。其加固原理是石灰與空氣中的水分和二氧化碳反應(yīng)生成氫氧化鈣,氫氧化鈣在遺址孔隙內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀,提升顆粒間的黏接力[18-19]。微米石灰已在磚、石、土質(zhì)文物古跡的修繕保護(hù)工程中得以應(yīng)用,并取得了顯著的加固效果。
KSE OH300 外觀無色透明,純度>99%,NHL-010 外觀呈乳白色,質(zhì)量濃度為5 g/L。工程實(shí)踐及試驗(yàn)資料表明,采用高濃度硅酸乙酯會(huì)導(dǎo)致遺址表面顏色加深,不符合文物保護(hù)的原則,而使用低濃度時(shí)加固效果不理想,因此,將硅酸乙酯和無水乙醇按體積比1∶3 配比,然后與微-納米石灰混合,攪拌均勻后用聚乙烯保鮮膜封存?zhèn)溆谩?/p>
選用的遺址土屬于粉質(zhì)黏土(液限為27.17%,塑限為17.01%,相對密度為2.72)。將擾動(dòng)土充分碾碎后過孔徑2 mm篩,將篩下土放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱內(nèi),設(shè)定溫度為108 ℃,干燥12 h。將烘干土冷卻至室溫后加入蒸餾水,按含水率16.5%配土,拌和均勻,用聚乙烯塑料袋密封后放入保濕器內(nèi)浸潤24 h,使水均勻分布在土體中。用土遺址專用制樣機(jī)按照干密度為1.65 g/cm3,將土壓制成邊長為5 cm 的立方體試樣。將壓制成型的試樣放在室內(nèi)環(huán)境下自然風(fēng)干。
為了對比不同加注方法加固前后土體性質(zhì)的變化,排除試樣含水率的影響,將自然風(fēng)干的立方體樣放入68 ℃烘箱內(nèi)至恒質(zhì)量,取出后測量試樣實(shí)際尺寸、質(zhì)量和表面硬度。依據(jù)土樣體積、干密度、相對密度等計(jì)算所需加固劑的量。對試樣采取鉆孔注漿、浸泡、毛細(xì)吸收、表面噴灑4種方法進(jìn)行加固,同時(shí)設(shè)置空白對照組和鉆孔對照組作為參照。加注方法和具體操作步驟見表1。
鉆孔注漿和表面噴灑加注方法的加固劑用量U參考文獻(xiàn)[22],按最大飽和度Sr=85%計(jì)算:
式中:ρd為試樣干密度,ρd=1.65 g/cm3;V 為試樣實(shí)際體積,cm3;Gs為土的相對密度,Gs=2.72;ρw為水的密度。
加固后,將所有試樣放置在塑料箱內(nèi),并用保鮮膜密封,以減緩溶劑無水乙醇的蒸發(fā)。18 h后將保鮮膜打開,將試樣置于室內(nèi)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d。
固化劑的有效吸收量與試樣的透氣性相關(guān)。采用同種方法加固時(shí),可通過固化劑的有效吸收量來控制試樣的透氣性。固化劑的吸收量由加固前后試樣的質(zhì)量變化確定[23]:
表1 加注方法和操作步驟Table 1 Consolidation methods and procedures
式中:w和w′分別為土體中固化劑的含量及其有效吸收量,mg/g;md和m′d分別為加固前和加固28 d后的各組試樣的平均干質(zhì)量,g;m′為加固處理后室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)各組試樣的平均質(zhì)量,g。
將所有試樣放入68 ℃烘箱內(nèi)至恒質(zhì)量后(由于部分材料的耐熱程度約為80 ℃,溫度提高會(huì)使材料的質(zhì)量和性質(zhì)發(fā)生變化,因此,設(shè)定烘干溫度為68 ℃,烘干時(shí)間為48 h)取出,然后放置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱質(zhì)量,結(jié)果如表2所示。
由表2可知:不同加注方法處理后的試樣對固化劑的有效吸收量存在差異。試樣采用鉆孔注漿法加固時(shí),固化劑的有效吸收量最大,因?yàn)槠錆B透深度大,表面揮發(fā)慢。表面噴灑法次之,其采用低濃度多次滲透的方式,也獲得了較高的有效固化劑含量。相比之下,毛細(xì)吸收和浸泡法中,固化劑的有效吸收量較低。
總體而言,在這4種加注方法中,試樣對復(fù)合加固劑的有效吸收量是微量的(w′<1%),加固后試樣的透氣性和力學(xué)強(qiáng)度需進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)。需要指出的是,鉆孔注漿試樣在鉆孔的過程中,對試樣的擾動(dòng)程度不同,孔的直徑和深度也存在略微差異,導(dǎo)致固化劑有效吸收量的標(biāo)準(zhǔn)差較大,浸泡、毛細(xì)吸收、表面噴灑方法加固試樣的固化劑有效吸收量較為接近。
透氣性試驗(yàn)經(jīng)常被用來檢測固化劑是否堵塞遺址原有的孔隙,優(yōu)良的加固材料應(yīng)盡可能保持孔隙通道暢通,加固后的試樣應(yīng)具有一定的透氣性,確保遺址內(nèi)的水分能夠以流體水或水蒸氣的形式與大氣交流。本文在以往對透氣性檢測的基礎(chǔ)上[24],進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)方案,探究一種可行的透氣性檢測方法。
加固完養(yǎng)護(hù)28 d 后,對各組試樣進(jìn)行透氣性檢驗(yàn),試驗(yàn)操作步驟如下:1)將試樣烘干,在干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱質(zhì)量;2)將直徑約為5 cm的寬口徑玻璃錐形瓶洗凈烘干并稱質(zhì)量;3)向錐形瓶內(nèi)倒入一定量的水,將土樣蓋在錐形瓶口上,用聚乙烯保鮮膜包裹試樣與燒杯的連接處,用絕緣膠帶固定,并用透明膠帶封嚴(yán),如圖1 所示;4) 將蓋有土樣的錐形瓶置于恒溫裝置內(nèi),每隔5 min對錐形瓶進(jìn)行稱質(zhì)量,記錄時(shí)間和質(zhì)量。
圖1 處理后的錐形瓶裝置Fig.1 Processed conical bottle device
透氣性試驗(yàn)原理是:錐形瓶內(nèi)外存在溫度差,錐形瓶內(nèi)的水蒸氣通過土樣擴(kuò)散到溫度相對較低的空氣中,因此,可通過分析錐形瓶裝置的累計(jì)失水量隨時(shí)間的變化對比不同方法加固后試樣的透氣性:
式中:X為累計(jì)失水率;mt為某時(shí)刻錐形瓶裝置總質(zhì)量,g;m0為開始時(shí)刻錐形瓶裝置總質(zhì)量,g;mw為初始錐形瓶內(nèi)加入水的質(zhì)量,g。
表2 與初始烘干質(zhì)量相比復(fù)合加固劑的吸收量和干質(zhì)量殘留量Table 2 Amount of composite consolidant absorbed and dry matter retained compared with initial dry mass
3.2.1 水浴法測透氣性
水浴法測透氣性使用的是水浴恒溫震蕩箱,設(shè)定溫度為60 ℃。在試驗(yàn)初期,每隔5 min 對錐形瓶裝置進(jìn)行稱質(zhì)量。35 min 后,每隔15 min 進(jìn)行稱質(zhì)量,并按式(4)計(jì)算質(zhì)量損失率(圖2)。其中,空白對照試樣在50 min時(shí)被人為損壞。
圖2 水浴法測累計(jì)失水率與時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between cumulative water loss rate and time measured by water bath method
從圖2可見:試樣的質(zhì)量損失率在水浴恒溫箱內(nèi)經(jīng)過3個(gè)階段:第1階段,試驗(yàn)初期,質(zhì)量迅速增加,是因?yàn)殄F形瓶內(nèi)水蒸氣溫度較低,其透過試樣散發(fā)到空氣中的量較少,而恒溫水浴箱內(nèi)有大量的水蒸氣,土樣快速吸收;第2階段,質(zhì)量基本保持不變,在該溫度和濕度環(huán)境下,錐形瓶內(nèi)水蒸氣排出量與土樣吸收環(huán)境中的水蒸氣量達(dá)到平衡;第3階段,錐形瓶內(nèi)水蒸氣大量散失,質(zhì)量持續(xù)下降。
水浴法中,由于恒溫水浴箱內(nèi)大量水蒸氣的影響,質(zhì)量隨時(shí)間的下降規(guī)律不太明顯,因此,用此裝置進(jìn)行試樣的透氣性檢驗(yàn)存在一定的弊端。為盡量減小恒溫水浴箱內(nèi)大量的水蒸氣對錐形瓶裝置總質(zhì)量的干擾,將水浴改為砂浴進(jìn)行試驗(yàn)。
3.2.2 砂浴法測透氣性
砂浴法測透氣性使用的是恒溫砂浴箱(圖3),初期設(shè)定溫度為80 ℃,預(yù)熱錐形瓶裝置,以免冷的錐形瓶接觸砂浴箱,溫差太大,而出現(xiàn)炸裂等情況。2 h后待錐形瓶內(nèi)水溫度上升至一定溫度后,將砂浴溫度調(diào)為120 ℃。每隔5 min 對錐形瓶裝置進(jìn)行稱質(zhì)量,并按式(4)計(jì)算質(zhì)量損失率(圖4),根據(jù)質(zhì)量損失率與時(shí)間的關(guān)系變化,判斷加固后試樣的透氣性。
圖3 砂浴法測透氣性Fig.3 Sand bath for measuring breathability
圖4 砂浴法測累計(jì)失水率與時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between cumulative water loss rate and time measured by sand bath method
從圖4可以看出:毛細(xì)吸收加固試樣在透氣性試驗(yàn)中,隨時(shí)間的增加錐形瓶內(nèi)水的質(zhì)量持續(xù)快速下降,且累計(jì)失水率最大,在445 min后質(zhì)量下降速度更快。浸泡、表面噴灑、空白對照、鉆孔注漿與鉆孔對照這5組試樣呈現(xiàn)出相似的趨勢,錐形瓶內(nèi)水的質(zhì)量先增加后減少。在砂浴初期,錐形瓶裝置內(nèi)水的質(zhì)量上升,是因?yàn)楹娓傻耐翗游樟丝諝庵械乃?。?25~385 min區(qū)間處于變化的節(jié)點(diǎn),這5組試樣吸收空氣中水的質(zhì)量與錐形瓶內(nèi)水的散發(fā)質(zhì)量平衡。毛細(xì)吸收和浸泡法加固使得土體透氣性增加。表面噴灑法加固試樣與空白對照試樣曲線大致重疊,表明表面噴灑后,土體的透氣性能維持原狀。鉆孔注漿加固試樣較鉆孔對照試樣隨時(shí)間的增加,質(zhì)量下降速度較快,因此,注漿后土體透氣性增強(qiáng)。但兩者相對其余4組變化較慢,尤其是鉆孔對照試樣在試驗(yàn)初期質(zhì)量幾乎沒有下降,485 min 后質(zhì)量才略微下降。鉆孔后的試樣無論加固與否,錐形瓶內(nèi)水的質(zhì)量下降均較慢。這是因?yàn)樵嚇訙囟容^高,尤其在鉆孔處,與頂部周圍環(huán)境形成溫差,空氣中冷的水蒸氣遇熱在試樣頂部凝結(jié)。
在砂浴透氣性試驗(yàn)中,毛細(xì)吸收和浸泡法加固后土體透氣性有所增加。表面噴灑后,試樣的透氣性基本能維持原狀。鉆孔后的試樣受空氣中水蒸氣影響顯著,結(jié)果需進(jìn)一步改善。從空氣濕度、水浴箱內(nèi)水加熱產(chǎn)生的水蒸氣對透氣性裝置影響以及結(jié)果的有效性等因素考慮,砂浴檢測法較水浴檢測法更具可行性。
表面硬度是檢測遺址表面風(fēng)化程度的重要手段。不同加注方法對試樣表面硬度的影響不同,因此,在試樣加固前、加固前烘干后、加固后室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d、加固28 d烘干后,分別采用邵氏橡膠硬度計(jì)對各組試樣的表面硬度(HA)進(jìn)行測量,測量范圍為0~100。按照硬度計(jì)的操作說明,在試樣頂面選擇5個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū)各取1個(gè)測點(diǎn),為避免對試樣造成破壞且保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,各測點(diǎn)的位置應(yīng)至少距離試樣邊緣1.2 cm,將壓針平穩(wěn)垂直壓在土樣的頂面,1 s 時(shí)記錄讀數(shù)[25],取點(diǎn)位置具體如圖5 所示,取其平均值作為試樣的表面硬度,結(jié)果如圖6和表3所示。
由圖6和表3可知:烘干后試樣的表面硬度增大。表面噴灑和浸泡后試樣的表面硬度增加較大,且兩者具有較高的表面硬度。因?yàn)檫@2種加注方法中,試樣表面直接與加固劑接觸,固化劑含量較高,加固劑滲入試樣,增加了土顆粒間的黏結(jié)力。鉆孔注漿后試樣在室內(nèi)環(huán)境下硬度增幅很小,是由于鉆孔操作在試樣烘干后進(jìn)行,對試樣頂面鉆孔使得表面土體變得松散,鉆孔對照試樣在室內(nèi)環(huán)境下放置28 d 后,表面硬度顯著下降,也驗(yàn)證了上述結(jié)論。毛細(xì)吸收是利用毛細(xì)作用,自下而上吸收加固劑,而表面硬度測量的是試樣頂面的表面力學(xué)特征,頂面吸收的材料相對較少,因而表面硬度增幅最小。空白對照組試樣在28 d 后,室內(nèi)環(huán)境下表面硬度和烘干后表面硬度均十分接近,也驗(yàn)證了該測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
表3 加固前后表面硬度增幅Table 3 Surface hardness increase before and after treatment
可見,表面硬度是表征土體表面強(qiáng)度較為可靠的指標(biāo)。表面噴灑和浸泡后試樣的表面硬度增加較大,鉆孔注漿試樣烘干后硬度增加明顯,毛細(xì)吸收試樣的表面硬度增幅較小。
無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是檢測加注方法對遺址土體力學(xué)性能的影響最直接的一種測量手段。為去除含水率對試樣抗壓強(qiáng)度的影響,將加固養(yǎng)護(hù)28 d后的試樣烘干并冷卻至室溫后,采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對6組立方體試樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn),設(shè)定加載速率為1 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見圖7和表4。
圖7 試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Stress-strain curves of uniaxial compression test samples
表4 不同加注方法加固后試樣抗壓強(qiáng)度Table 4 Unconfined compressive strengths of samples after treatment with different consolidation methods
表面噴灑對試樣表面硬度提升較高,從表4可以看出:表面噴灑對試樣的抗壓強(qiáng)度也有大幅度的提升,因此,適量的表面噴灑可以有效地對土遺址表面風(fēng)化進(jìn)行加固。浸泡和毛細(xì)吸收加注方法對土體的抗壓強(qiáng)度有明顯的積極作用,且兩者應(yīng)力應(yīng)變曲線大致相同。與空白對照試樣相比,兩者強(qiáng)度提升了約50%。鉆孔注漿加固后的試樣和鉆孔對照試樣的抗壓強(qiáng)度最低,兩者均在注漿孔處產(chǎn)生破壞。在鉆孔和注漿的過程中,由于注漿孔周圍土體疏松而隆起,萬能試驗(yàn)機(jī)頂部夾具接觸的是中間注漿孔與側(cè)邊線,因此,抗壓強(qiáng)度不是垂直于頂?shù)酌娅@得,造成結(jié)果偏低。但仍然可以看出,注漿加固對試樣的抗壓強(qiáng)度略有提升。因此,鉆孔注漿后的試樣應(yīng)對注漿孔用鉚釘進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),使得注漿孔的強(qiáng)度略有提升,而不應(yīng)成為土體的脆弱點(diǎn)。
1)在不同的加注方法下,相同的加固材料可能會(huì)產(chǎn)生不同的加固效果。不同的加注方法不僅導(dǎo)致固化劑有效吸收量和透氣性存在差異,而且表面和整體力學(xué)特征也不同。
2)采用鉆孔注漿和表面噴灑的方式,試樣獲得了較高的有效固化劑含量,表面噴灑后試樣的透氣性能維持原狀。鉆孔注漿后試樣的透氣性受注漿孔影響顯著。毛細(xì)吸收和浸泡法中,試樣對固化劑的有效吸收量較低,透氣性有所增加。
3)在透氣性方面,水浴法由于恒溫水浴箱內(nèi)大量水蒸氣的影響存在明顯弊端,而砂浴法測得結(jié)果更具有效性,該方法可為評估透氣性提供新思路。
4) 試樣烘干后的表面硬度大體呈增大趨勢。表面噴灑和浸泡加注方法對試樣表面硬度和抗壓強(qiáng)度的增加較大。鉆孔注漿由于注漿孔未做后續(xù)處理,室溫下表面硬度增幅很小,抗壓強(qiáng)度提升較小。由于毛細(xì)吸收是自下而上吸收加固的,該方式對試樣的表面硬度增幅最小,但是抗壓強(qiáng)度顯著提升。表面硬度是表征土體表面強(qiáng)度較為可靠的指標(biāo)。
5)就整體加固效果而言,鉆孔注漿對固化劑的吸收量較大,烘干后表面硬度增幅較大,但由于注漿孔的存在抗壓強(qiáng)度增加較小,加固后應(yīng)對注漿孔用鉚釘進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。浸泡和毛細(xì)吸收試樣的固化劑吸收量較低,土體的透氣性增加,由于其由外而內(nèi)滲透的加注方式表面硬度提升明顯,抗壓強(qiáng)度也較高,加固效果較好。表面噴灑試樣的固化劑有效吸收量較大,透氣性能維持原狀,同時(shí)獲得了較高的表面硬度和抗壓強(qiáng)度。因此,浸泡、毛細(xì)吸收和表面噴灑是處理土遺址表面風(fēng)化較為有效的方法。