金沙土遗址裂隙灌浆材料比选室内试验研究

岳磊, 王捷,3,4, 张小兵,3,4, 王逢睿,3,4, 周杰,3, 王瑞林

(1. 中铁西北科学研究院有限公司, 兰州 730000; 2. 国家文物局石窟保护技术重点科研基地, 兰州 730000; 3. 甘肃省岩土文物保护工程技术研究中心, 兰州 730000; 4. 甘肃省敦煌文物保护研究中心, 酒泉 736200)

金沙遗址是四川商周时期的文化遗址,属十二桥文化阶段,该遗址发掘的大量石器、骨器、陶器和玉器等文物,反映了当时人们的生产、生活、信仰、文化等方面的情况[1]。此外,成都金沙遗址的发掘不仅为商代晚期至西周的文化、生活、考古学等领域的研究提供了丰富的实物资料和重要的史料,还为研究古蜀文化人类的文化水平有更深入的认识,对于推动相关领域的研究具有重要意义[2]。

金沙遗址的祭祀区在经过考古发掘和清理之后,遗址本体的保护措施还未得到有效的实施,卸荷裂隙便在遗址本体大量出现,这些裂隙竖向通过若干土层形成贯通裂缝,影响了遗址整体的稳定性。此外,由于展厅和地铁的建设,金沙土遗址赋存环境的变化,导致了土体表面的病害问题进一步的恶化,裂隙病害问题也愈发严重[3]。因此,对祭祀区土遗址裂隙进行灌浆加固变得至关重要,使其得以长久保存。

众多学者已经对文物保护中灌浆材料的应用进行研究。通过在宋代夏官营古城和红沙堡遗址进行试验,使用烧料礓石作为灌浆基料,成功研究了其在土壤裂隙治理中的应用,为土遗址保护加固工程提供了可靠的依据[4-5]。通过正交试验研究发现,以糯米浆和烧料礓石为主要材料,调整不同参数,可提高土遗址裂隙加固注浆材料的力学性能[6]。通过对临潭县牛头城古遗址城墙维修工程的现场调查和室内试验,确定了低掺量烧料礓石夯筑加固能有效抑制塑性应变区域发展,提高了遗址土城墙的稳定安全系数[7]。在潮湿环境下,为了选出适宜于土遗址裂隙的注浆材料,对四处“海上丝绸之路”窑址点的遗址土进行了研究,包括烧料礓石、烧阿嘎土和砺灰三种传统石灰材料,结果也表明烧料礓石可应用于窑址点的裂隙注浆[8]。SH(改性聚乙烯醇)作为有机高分子固化材料,展现了优异的耐久性能,不但在固沙领域得到了广泛应用,而且在土遗址裂隙注浆中也具有显著效果[9-10]。研究发现,SH-(CaO+F+C)浆液在土遗址裂隙修复中能显著抑制浆-土界面干缩分异,通过调整浆液配比,可实现在土遗址修复中同时实现浆液可灌性与加固效果的统一[11-12]。通过对定远营遗址的研究,分析宏观和微观层面的病害及稳定性,发现城墙随着含水率的增加,会存在失稳的危险[13]。为增强土体的强度、耐水性和结构自身的稳定性,采用原材料均为无机物的矿物聚合物作为土遗址裂隙的灌浆材料,研究结果表明,该材料不仅改善了土体的矿物组成和颗粒间的胶结形态,还提高了其力学性能和耐久性[14-15]。这些研究成果有助于推动中国土遗址保护的进一步发展,不过有关西南潮湿地区土遗址裂隙灌浆加固材料的研究尚未开展。

根据文物保护的原则及实际需求,选择了烧料礓石材料、SH材料、无机矿物聚合物材料,对金沙遗址试验土进行改性,探究各种组合灌浆材料的基本物理性能、力学性能及耐久性能。比选出适宜金沙遗址祭祀区土体裂隙充填的灌浆材料,相关研究成果可为西南潮湿地区土遗址科学保护提供技术支持。

1 试验方案

1.1 试验材料及试样制备

试验采用的烧料礓石(LJS)取自国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心中试基地。SH为改性聚乙烯醇,取自兰州大学,F为粉煤灰,CaO为氧化钙。无机矿物聚合物加固配方为超细矿粉、煅烧偏高岭土和Ca(OH)2,以及膨胀组分CSA(硫铝酸钙胶结料)、CFR(抗裂快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥)无机土体加固剂取自河北。减水剂为聚羧酸减水剂。遗址试验土C取自金沙遗址馆附近的土层,取样深度1.8～2.2 m,基本物理性质见表1。试验用水为实验室自来水。

表1 试验土物理性质Table 1 Physical properties of test soil

对于SH材料体系,参考前人的配比C∶F=1∶1(质量比),SH浓度用1.6%,CaO作为变量[11]。对于无机矿物聚合物体系,配比为26%、32%、32%、10%。结石体的强度稍大于遗址本体,是为了满足力学强度的兼容性,考虑到遗址本体力学强度不均,每个体系灌浆材料分别设定三种不同掺量的配比见表2。

表2 浆液材料配合比及收缩率Table 2 The mix proportion and shrinkage of slurry materials

通过预试验选择了合适的水灰比,以满足土遗址裂隙灌浆的施工工艺要求,并制备了规格为40 mm×40 mm×160 mm的结石体试样。为了进行龄期养护,并且考虑到温湿度差异对试样的影响,将制备好的试样有序地摆放在实验室专用的试样架上。鉴于实验室在夏天和冬天的温湿度差异较大,为了减少养护条件对试样的影响,所有试样均在11月前后分批次制备后进行养护,试样制备和养护如图1所示。

图1 试样制备及养护Fig.1 sample preparation and curing condition

1.2 结石体物理性能测试

对岩土文物裂隙灌浆材料性能的评价主要考查浆体龄期强度以及环境介质对其物理力学性质的影响,通过参照相关标准规范进行物理和力学性能的测试。

对不同组合的浆液结石体,进行养护龄期7、14、28 d的物理性能测试,如图2所示。采用直接测量法进行收缩性测试,用游标卡尺等测量工具对被测物体直接进行测量,结果取3次平行测试的平均值。采用电子天平进行不同龄期试样的重量测试,通过对比不同龄期不同试样的重量变化,可以观察试样的稳定性,同一组变量试样取3个测试,结果取平均值。采用RSM-SY5(T)非金属声波检测仪对不同养护龄期的超声波速值进行测试,可以展示试样内部的致密程度,间接表明试样的水化硬化的程度。采用NR20XE型大口径色差仪进行色差测试,测试灌浆材料加固遗址后能否保持原貌。

图2 试样收缩率和密度随龄期变化曲线Fig.2 Curves of shrinkage and density change with ages

1.3 结石体龄期强度测试

灌浆的主要目的是填充并加固遗址体的裂隙,浆液结石体的单轴抗折强度和抗压强度是评估其性能的重要指标,这些指标不仅能直观展现固化试样的抵抗变形能力,还能间接展现试样的密实度和内部结构等特性。采用WANCE电子万能试验机进行抗折和抗压强度测试,对养护7、14、28、56 d的结石体进行相关的力学性能测试。

1.4 结石体耐久性测试

将对养护28 d龄期的试样进行三种循环试验:干湿循环试验、耐碱循环试验和耐盐循环试验。各组试验均选择三个平行样进行测试,用其平均值为试验结果。

(1)干湿循环试验:先将标养28 d的试样放置于恒温恒湿箱中,温度设置为100 ℃,保持12 h。然后,将试验箱温度降至25 ℃,相对湿度调整至90%,在此条件下放置12 h。重复进行上述18个周期循环后,进行强度试验。

(2)耐碱循环试验:在养护28 d的标准试样上喷洒质量分数为1%的氢氧化钠溶液,并密封养护12 h。随后,将试样放入烘箱中,温度设置为80 ℃,烘烤4 h。重复进行上述5个周期循环后,进行强度试验。

(3)耐盐循环试验:将养护28 d的标准试样喷涂上饱和硫酸钠溶液,并密封养护20 h。随后,将试样放入烘箱中,温度设置为80 ℃,烘烤4 h。重复进行上述5个周期循环后,进行强度测试。

2 物理力学性能测试结果与分析

2.1 结石体收缩率

由图2中的试样收缩率随龄期变化曲线图,可以发现随着龄期的增加,试样的收缩曲线基本在7 d龄期逐渐变缓,并且在养护20 d时基本保持稳定状态,这说明结石体的性质是随时间推移而发生变化的。另外,通过对不同类型的结石体的收缩率进行比较,能更深入地了解它们之间的差异。对于LJS系列试样28 d养护龄期的收缩率为2.23%左右;对于SH试样,由于添加了氧化钙具有膨胀作用,因此该系列试样的收缩率减小至1.35%左右;对于CSA和CFR系列试样由于添加了膨胀组分无机土体加固剂,在不同龄期下的收缩率都较低,其收缩率仅为0.8%左右,这些差异可能与结石体的组成和结构有关。

通过对试样不同龄期收缩率进行分析,可以发现结石体的性质和收缩率会受到多种因素的影响,包括养护龄期和改性材料配比等。在实际应用过程中,需要根据具体情况来选择最合适的灌浆材料类型,以确保其稳定性和可靠性。对于金沙土遗址,宜采用的无机矿物聚合物灌浆材料,其低收缩性可以有效填充裂隙,从而增强土遗址体的整体性能。

2.2 密度变化

通过图2中试样不同龄期密度变化曲线可知,所有试样的密度变化曲线都呈三个阶段的下降趋势,即试样在养护初期急速下降,中期缓慢下降,后期基本维持稳定不再变化,试样内部结构发生了改变,导致其密度减小。其中,LJS系列的试样密度变化幅度最大,在龄期28 d时,其密度下降到1.10 g/cm3,同时印证了其较大的收缩性。在养护龄期18 d时,所有结石体试样的密度基本稳定,但其值均小于金沙试验土的干密度1.61 g/cm3,可避免在土遗址内部生成附加应力,减少二次破坏风险。此外,在所有试样中,CSA和CFR系列的密度普遍高于其他两种系列且波动较小,这说明CSA和CFR系列的试样可能具有更好的稳定性以及更高的抗压性能。可知对于金沙土遗址,宜选择无机矿物聚合物灌浆材料,试样内部生成了丰富的胶凝材料填充孔隙,具有更加致密的内部结构,有利于遗址土的稳定。

2.3 声波测试

图3为不同试样在不同养护龄期的波速变化,由图可知,在养护初期所有试样的波速基本一致,随着龄期的增加,试样水化反应和碳化反应使得结石体逐渐致密,波速均呈现出上升趋势,这表明试样的硬度和强度随着时间的推移而不断增强。其次,在同一时间段内,CFR系列和CSA系列的波速普遍较高,而LJS系列和SH系列的波速相对较低,不同试样的波速增长速度存在差异。在养护28 d时,CFR-30的波速增长最快,为1 643 m/s,而LJS-10的波速增长最慢,为910 m/s,这与不同试样的材料和配比以及制备工艺有关。此外,同一试样在不同养护时间下的波速增长速度也存在差异,对于CFR-20试样,其在14 d和28 d时的波速增长速度分别为617 m/s和163 m/s,说明波速增长速度随着时间的推移而逐渐减缓。根据不同试样的波速数据,可以对结石体试样的质量进行评估,波速越高,说明结石体试样的硬度和强度越高,质量越好。由不同试样的波速值可知,经过28 d的养护后,CFR复合灌浆材料具有较高的波速值,表明此系列试样内部生成了许多的胶凝填充了孔隙,具有非常致密的结构。

图3 试样波速随龄期变化Fig.3 Wave velocity changed with ages

2.4 色差值

根据图4所示,在养护28 d后,对比遗址土,不同试样的色差值进行了评估。色差值ΔE的划分标准如下:ΔE≤3表示产生很轻微的变色,3<ΔE≤5表示产生轻微变色,ΔE>5表示产生明显变色。由图4可知,LJS试样、CFR复合试样和CSA复合试样的所有试样均发生了轻微变色,其中色差值最大的为CSA-30试样,其值为4.9,表明掺量过多会改变遗址土的原色。SH复合试样均只发生了很轻微的变色,由于SH材料是一种透明的胶体材料,所有对遗址土的原色影响不大。根据色差等级的划分标准,当色差值ΔE*≤5时,色度变化肉眼不可明显分辨。由于试验采用遗址试验土作为注浆材料的主材,因此结石体与土遗址本体的色差不明显,具有高度兼容性。

图4 试样色差值随龄期变化Fig.4 Color difference value changed with ages

2.5 龄期强度

图5所示为在7、14、28、56 d龄期下,不同灌浆材料结石体的龄期强度。图5(a)中可见,随龄期增长,抗折强度逐渐提升,归因于材料形成更稳定紧密的结构。此外,相同龄期下不同材料间抗折强度差异显著,反映出各材料物理和化学性质的差异。其中,LJS灌浆材料整体抗折强度较低,但随龄期增长而上升;尤其在28、56 d时,LJS-20已达0.5 MPa。SH灌浆材料相较LJS稍高,在7 d时SH-20即超过0.1 MPa,但增长速度较慢,至56 d仅SH-15及SH-20达到约0.42 MPa。CFR灌浆材料在7天时表现突出,特别是CFR-30达到0.18 MPa,且随龄期增长至56 d时超过0.8 MPa,远超其他材料为最佳表现。CSA灌浆材料在7 d时亦有优秀抗折强度,但较长龄期时提升有限;28 d时CSA-30仅为0.46 MPa,低于CFR-30。

图5 试样抗折和抗压强度随龄期变化Fig.5 Flexural and compressive strength changed with ages

图5(b)所示为不同龄期下各灌浆材料抗压强度。数据显示,随龄期增加,所有材料抗压强度逐渐上升。LJS材料抗压强度整体稳定但较低,56 d时LJS-20仅为1.33 MPa,而7 d时达到了0.72 MPa。SH材料抗压强度更低,56 d时SH-20仅为1.12 MPa,14 d时仅为0.45 MPa。CFR材料抗压强度表现优异且整体居中高水平,CFR-30试样从7 d至28 d抗压强度增长约165%,至56 d时达3.55 MPa,早期突出表现得益于其快硬早强特性。CSA材料抗压强度亦好且始终保持高水平,在56 d时CSA-30达2.35 MPa,虽在短龄期无显著优势,但随时间推移强度不断提升。

由上述龄期强度可知,不同材料在不同龄期下抗折、抗压强度有显著差异。对比各种改性土灌浆材料龄期强度可得:CFR试样>CSA试样>LJS试样>SH试样,表明无机土加固剂改性的遗址土灌浆材料具有更优抗折、抗压强度。

3 耐久性能测试结果与分析

3.1 干湿循环试验

通过对比不同类型试样耐久性能循环试验的抗折与抗压强度汇总数据(表3)及干湿循环强度变化(图6),发现所有试样在耐久性循环试验前后均存在显著差异。LJS和SH系列试样的未劣化抗折强度与抗压强度明显低于其他试样,而CFR和CSA试样则表现出较高的强度,这可归因于各试样的材料组成与制备方法不同。分析结果显示随着试样掺量的增加,其干湿循环后的抗折和抗压强度降低幅度逐渐减小,表明经过多次干湿循环后,高掺量试样相对稳定性更高。其中,CFR-30的未劣化抗折强度与干湿循环抗折强度均显著高于CFR-10和CFR-20试样,表明掺量等因素对试样强度及稳定性具有显著影响。

图6 干湿循环试验前后抗压、抗折强度变化Fig.6 Changes of compressive/flexural strength before and after circulation of temperature and humidity

表3 耐久性能循环试验的抗折、抗压强度值Table 3 Flexural and compressive strength values of durability cycle test

其次,所有试样的干湿循环抗折强度与抗压强度相较于未劣化抗折强度与抗压强度均呈现降低趋势,这可能因为湿度环境下,水分渗透至材料内部,导致材料微观结构改变,影响强度表现。其中,LJS-10和SH-10的抗折与抗压强度降幅较大,表明试样对湿度及其变化敏感;相比之下,CFR-30的抗折与抗压强度降幅最小,说明该试样在干湿循环环境下具有更稳定的强度表现。总体来看在干湿循环环境下,CFR无机土体加固剂能显著提高遗址土的耐久性,尤其是CFR-30试样在干湿循环试验中表现出较好的抗折与抗压强度。

3.2 耐碱循环

耐碱循环抗折强度与抗压强度均为衡量材料耐久性的重要指标,图7为耐碱循环试验强度变化图。通过对比分析观察到未劣化时,随着掺量增加,试样强度逐渐提高,在不同类型灌浆试样中,CFR类试样在未劣化强度方面表现尤为优异,尤其在较高掺量条件下,其优越性更为显著。从耐碱循环性能角度分析,试样的抗碱能力整体上呈现出类似于未劣化的趋势,然而数值相对较低。通过比较不同类型试样的耐碱循环特性,CFR复合灌浆材料在抗折强度上分别下降了33.33%、11.76%、12.70%,抗压强度则分别降低了27.42%、9.92%、17.54%。对比其他种类试样分析可知,CFR类试样展现出相对较强的抗碱能力。经耐碱周期循环试验后,所有试样强度均有所下降,表明NaOH对遗址土具有一定破坏力。其中CFR类试样的强度减少幅度最小,表明添加CFR无机土体加固剂能在较大程度上提高遗址土的抗碱能力。

图7 耐碱循环试验前后抗压、抗折强度变化Fig.7 Changes of compressive / flexural strength before and after circulation of alkali resistance test

试样经耐碱循环性能下降主要归因于试样内部胶凝材料发生碳化和晶体膨胀。NaOH破坏遗址土的过程涵盖物理作用与化学作用,在结石体试样内部,NaOH会与水和空气中的CO2发生化学反应,在此过程产生的膨胀压力会作用在土体表面,导致土体破裂。同时,NaOH还会与土壤中的游离态Al2O3、SiO2和铝硅酸盐等物质产生化学溶蚀,导致土颗粒失重解体,孔隙扩大,从而降低了试样的力学强度[10]。

3.3 耐盐循环

图8为耐盐循环试验前后试样外观形貌变化,由图可知试样经过耐盐循环试验后出现了盐胀现象,并且能在试样表面看到有白色的盐分从试样内部析出;试样经过耐盐循环后,可以明显看到试样已经从内部破坏,并且表层土已经脱落。试样在饱和硫酸钠溶液的浸润下,孔隙内的Na2SO4·10H2O晶体会经历重复的潮解和析出过程,这一过程会对内部结构造成损害,进而使试样的强度降低[16]。表明硫酸钠对土遗址具有劣化效应。

图8 耐盐循环试验试样外观变化Fig.8 The appearance of samples before and after circulation of salt resistance test

通过对试样耐盐循环前后强度的对比分析(图9),对LJS、SH、CFR和CSA四种复合灌浆材料的抗折强度和抗压强度进行了评估。结果显示,LJS系列试样在耐盐循环试验中表现出较差的性能,其抗折强度和抗压强度均显著下降。经过耐盐循环试验,LJS试样已发生破坏和折断,无法测量其强度,这表明Na2SO4盐对遗址土具有极强的破坏力。主要原因是由于Na2SO4与水反应生成芒硝,经过硫酸钠溶液的浸润会导致体积约增大3倍,产生对土体内部孔隙的压力,从而破坏土体的内部结构。在干燥环境下,芒硝又失水转化为无水Na2SO4体积减小。这种相互转化过程导致土体内部结构在盐胀力作用下受到破坏,经过循环试验后试样强度降低甚至破坏[10]。

图9 耐盐循环试验前后抗压、抗折强度变化Fig.9 Changes of compressive/flexural strength before and after circulation of salt resistance test

此外,CFR/CSA无机矿物聚合物复合灌浆材料在各组试样中表现出较好的耐盐性能,其力学强度仅有相对较小幅度的下降。通过对比不同试样的强度,发现添加CFR无机土体加固剂系列的试样仍保持有1 MPa以上的抗压强度,表明其可提高遗址土的耐盐能力。

3.4 微细观分析

通过SEM观察浆体材料和结石体的微细观结构,进一步明确CFR无机矿物聚合物灌浆材料的微观作用。由图10(a)可以明显的观察到大量微纤维结构相互搭接,具有成簇的特征,形成了大量的凝胶结构;EDS能谱结果表明,在氢氧化钙环境中,偏高岭土中的活性成分Si、Al与Ca(OH)2发生硬凝反应,生成了大量无定型的凝胶物质。由图10(b)可以明显看到遗址土的层状结构,其主要矿物石英和长石在结石体中起骨架作用,并且在层状结构的表面和孔隙之间,存在着许多钙质胶结物质,增强了土颗粒之间胶结力,从而提高了结石体的力学性能和耐久性能。因此,从结构和成分上来看,无机矿物聚合物灌浆材料与遗址土本体具有优异的兼容性,可优选作为金沙土遗址裂隙的注浆材料。

4 结论

选择了三种不同的灌浆材料组合:烧料礓石材料、SH材料和无机矿物聚合物材料,并将其与金沙遗址土进行配伍,进而探究了其各项性能,得到如下结论:

(1)掺入CFR/CSA的无机矿物聚合物灌浆材料,经28 d龄期养护,收缩率最小仅为0.8%;其密度小于金沙试验土的干密度,避免在土遗址内部生成附加应力,减少二次破坏风险;较高的波速变化值,表明其具有更好的稳定性和更高的强度。

(2)所有试样的色差值ΔE*≤5,表明结石体的颜色与土遗址本体高度兼容,未对遗址土的外观颜色产生较大的影响。几种灌浆材料通过掺入适量的剂量,可有效地应用于土遗址裂隙的修复。

(3)各组试样在不同养护龄期的强度均有显著提升,其中CFR-30试样在28 d龄期表现出优异的力学性能,其抗折、抗压强度分别为0.63、2.28 MPa,为所有试样中最高。对比不同改性土灌浆材料的抗折/抗压强度,发现无机土加固剂改性的遗址土灌浆材料具有更佳的强度,强度顺序为:CFR试样>CSA试样>LJS试样>SH试样。

(4)对养护28 d的各组试样进行耐久性循环试验后,添加CFR的无机矿物聚合物灌浆材料在干湿循环、耐碱能力和耐盐能力方面均有较大程度的提高。由于无机土体加固剂的低碱性特性,使得无机矿物聚合物灌浆材料中碱度较低,几乎无可溶盐,从而提高了试样的耐久性。