全国中文核心期刊 新鲤建蟓 中国科技核心期刊 基子生士材料徽细观结构性能的 加固关键技术研究 王捷 ，王逢睿１，２，３何真 ，姜效玺１，２ （１．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰卅Ｉ ７３００００；２．甘肃省岩土文物保护特种工程技术研究中心，甘肃兰卅Ｉ ７３００００ ３．兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州７３００００；４．武汉大学，湖北武汉４３００７２） 摘要：西北地区赋存的生土建筑与遗址病害严重，急需进行加固。从微细观的角度深入认识土体加固时内部的胶结质量和强度 问题，对构成嘉峪关关城及哈密烽燧的土样从不同土体结构层次上分析了土块的工程性质及土体微粒的组成和微细结构性能，探索 了生土材料的强度失效机理。在此基础上，提出利用纳米ＳｉＯ 溶液及与其配合使用的无机粉状复合加固剂加固生土建筑的技术。并 通过现场试验确定加固土体的工艺措施及相关材料性能指标要求，使得从材料设计到加固措施实施等问题得以相对规范化。 关键词：土质文物建筑与遗址保护；微结构；无机土体加固剂；胶结强度：加固技术 中图分类号：ＴＵ３６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—７０２Ｘ（２０１７）０３一Ｏ１１８—０６ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒａｗ ｓｏｉｌ ＷＡＮＧ Ｊｉｅ。 ・ＷＡＮＧ Ｆｅｎｇｒｕｉ１，２，３ ＨＥ Ｚｈｅｎ４，ＪＩＡＮＧ Ｘｉａｏｘｉ （１．Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｅａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ＳｐｅｃｉＭ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｌｓ１ｘｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ；３，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ；４．Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｒａｗ ｓｏｉｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｓｉｔｅｓ ｉｎ ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｉｌｌ ａｎｄ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｂｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｕｒｇｅｎｔ— ｌｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｑｕａｌｉ￣ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ— ｓｃｏｐｉｃ ｖｉｅｗ．Ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌｏｄｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｏｉｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｌｅｖｅｌｓ ｉｎ Ｊｉａｙｕｇｕａｎ ｇｒｅａｔ ｗａｌｌ ａｎｄ Ｈａｍｉ ｂｅａｃｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａ－ ｓｉｓ，ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｎａｎｏ—ＳｉＯ２ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｗｄｅｒｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｔｏ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ ｔｈｅ ｒａｗ ｓｏｉｌ ｃｏｎ— ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｅｒ－ ｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｂｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ ｈｅｒｉｔａｇｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｓｉｔｅｓ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｉｌ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｃｅｍｅｎｔｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ， ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 生土建筑是用黄土、黏土等自然界存在的天然物质或简 物建筑与遗址具有重要的作用和深远的意义。 单加工的原状土作为主体材料，辅以木、石等天然材料形成营 大量研究表明，未经加固的生土材料存在难以克服的自 建主体结构的一种建筑形式ＬｌＪ。遗存至今的大量土质文物建 身组成和微细观结构等方面的缺陷，由此造成生土建筑抗压、 筑与遗址，大部分也是生土建筑。拯救处于衰落状态的土质文 抗折强度低，尤其是耐水性能差，干缩变化及冻融循环等都容 易导致其开裂，并进而产生坍塌等破坏 。生土建筑由于渗 基金项目：甘肃省科技厅专项基金项目； 国家文物局优秀青年研究计划项目； 中铁科研院科技开发计划项目 阿悖２０１５一 ００３－Ｚ００３—０３） 收稿日期：２０１６—０９—１８；修订日期：２０１６—１１－０９ 作者简介：王捷，女，１９８７年生，甘肃古浪人，硕士，从事岩土工程及 文物保护专业。地址：甘肃省兰州市民主东路３６５号，Ｅ－＿ｍａｉｌ：６９５１８３５３９ ＠ｑｑ．ｃｏｍ。 水引起的问题包括土体软化、裂隙扩展、面层被破坏及墙基掏 蚀等［５－６３。因此，研究从微细观尺度改善土体结构，从而增强生 土建筑耐水、耐久性的加固措施至关重要。。 本研究有针对性地围绕生土建筑与遗址抗渗加固保护问 题，着重研究能够改善土体耐水性能及耐久性的无机复合加固 剂，从对土体微细观结构的研究出发从根本上解决加固问 题。并通过现场试验总结相关工艺措施，提高生土建筑保护从 新型建筑材料 ２０１７．３ ・１ １８・ 王捷，等：基于生土材料微细观结构性能的加固关键技术研究 试验研究、勘察设计到施工的科技保护水平和整体保护能力。 部位未风化夯土样（ＳＹ别为嘉峪关１号、２号、３号），在哈密选 １ 生土文物建筑劣化现状及成因 １．１ 嘉峪关关城土体劣化状况 嘉峪关地处甘肃河西走廊中部，关城为用生土建造的古 代大型长城关隘的典型代表。由内城、外城、罗城、城台及城上 取大墩烽燧、农场烽燧等２处不同的烽燧夯土样，进行了物理 力学及微细观性能特点分析。 ２．１物理力学性能特点分析 对所取原状夯土进行物理力学性能测试，结果见表ｌ。 表１ 各土样的物理力学性能测试结果 木结构建筑组成。内城、外城户外露天保存，长期遭受风蚀、雨 蚀和自然环境影响的侵蚀作用特征明显，墙体出现裂缝、墙基 掏蚀凹进、基础酥碱及雨水冲蚀沟壑等病害。外城墙体裂缝主 要以干缩裂缝、夯层裂缝和压剪裂缝为主，满布墙身，裂缝多 以贯通裂缝、从上部开裂向下延伸的竖向裂缝和水平凹槽的形 式出现。西罗城和城台顶部在大量游人的不断踩踏、城墙顶部 积水和冻融循环的共同作用下，地面凹凸不平，铺地砖大部分 破损、断裂、砖体表面风化剥落严重，且局部地面已出现孔洞。 墙身结构出现松弛及局部砖墙存在鼓闪、开裂等现象。所有城 墙体根部掏蚀作用明显【见图ｌ（ａ）］，尤其以北面墙体和背阴 面墙体掏蚀现象较重，掏蚀最大深度约４５ ｏｍ，最宽约１２５ ｃｍ。 墙根部掏蚀使墙体局部形成临空面，易引起墙体局部坍塌。 一一 ～二 ：— ■黑 蘸 （ａ）嘉峪关关城墙体掏蚀 （ｂ）哈密峰燧开裂坍塌及掏蚀 由表１可见，原状夯土的抗压强度为０．２９，０．６９ ＭＰａ，抗折 强度为０．１０ ０．３９ ＭＰａ，强度均很低。原状夯土的孔隙率较大。 从土粒及土块层次上体现出，土体力学性能较差。工程特性方 面，液限和塑限指数适中，接近粉质黏土。 ２．２微细观结构性能特点分析 图１ 嘉峪关关城墙体掏蚀及哈密烽燧开裂坍塌、 掏蚀破坏现状 ２．２．Ｉ物相分析及晶型结构表征 测量采用Ｃｕ靶，ｘ光管功率为４０ ｋＶｘ３０ ｍＡ，扫描速度为 ０．５。／ｍｉｎ，各样品的ｘ射线衍射分析结果如图２所示。 ●ＳＯ， ▲ＣａＣ０３ １．２哈密烽燧劣化状况 根据第三次全国文物普查资料统计，哈密境内遗存 各时代的烽燧共６ｌ座，是境内烽燧保存最多和最好的地 区。经过详细调查，哈密地区烽燧目前处于急需抢救的状态， ． ◆ＣａＭｇ（Ｃ０２）２ ●ＮａＡｌＳ１ ３０８ Ｔ（Ｍｇ，Ａ１）６（Ｓｉ，Ａ１）４ｏ１０（ｏＨ）８ ● ． 大部分烽燧处于无保护状态、绝大多数烽燧局部塌落或处于 极限失稳状态，很多烽燧甚至处于消失的边缘。 １．．＿ 辜毒 ， ． ，嘉峪 ： ＇嘉峪关 ・嘉峪 ： ・哈密农］ 哈密烽燧发育的病害主要包括以下几种：（１）烽燧本体开 裂、坍塌严重［见图ｌ（ｂ）］；（２）风沙吹蚀造成墙基掏蚀病害严 重；（３）土坯破损破坏严重，土坯堆砌的烽燧除了具有土质烽 燧的主要病害外，还具有局部土坯破损破坏的病害。在砌筑过 程中，土坯与土坯之间通过草泥相互粘接，也通过多层的红柳 进行加筋加强。但整体性不如夯土填筑的烽燧，局部的土坯开 裂与破碎，对结构整体性影响严重，并易引起局部坍塌。 ＝！ － ．’．毒●． ・ ！ ‘Ｔ ・． 【． ・ 毒・’ ・ Ｔ ● ．÷ ＇ ’ ▲眚・ ・ ．． ｌ０ ２０ ÷ ３０ ｛：． ４０ ． ５０ ．哈密大ｊ ６０ ７０ ２ｅ／（。） 图２各土样的ＸＲＤ图谱 由图２可见，各土体中石英和方解石含量较高，胶结性能 较高的矿物如高岭石、绿泥石等的含量较少。 ２生土材料物理力学及微细观性能特点 ２．２．２荧光光谱表征化学成分 采用荷兰ＰＡＮｚｌｙｔｉｃａｌ公司生产的荧光光谱仪对各土样 在嘉峪关关城选取了罗城、柔远楼城台、外墙等３处不同 进行了化学分析，测试参数：电压３０ ６０ ｖ，电流６０ １２０ Ａ。各 ＮＥＷ ＢＵＩ ＬＤｌＮＧ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ・１１９・ 王捷，等：基于生土材料微细观结构性能的加固关键技术研究 样品的主要化学成分含餐见表２。 目一表２关●关２ ３各土样的主要化学成分 关 侠 由表２可见，土中Ｓｉ元素含量最高，Ｃａ元素和Ａｌ元素次 ％ 之，Ｋ元素含量高于Ｎａ元素。不同部位土样的化学成分具有 较好的均一性。土中石英和碳酸钙含量较高。 一 一一一一一 ５３．４０ ｌ１．４７ ５．２８ ＳｉＯ２号 ＡＩ号号２０ 陆Ｆｅ２酶 ０３ ＭｇＯ ＣａＯ Ｎａ２０ Ｋ２０ ５２．Ｏ２ Ｉ１．１６ ５３２ ９．７３ １３．８４ ０．３３ ５５．５８ ｌ１．１２ ４．９９ ９．５２ ｌ１．４６ ０．２７ ５．６９ ｌ０＿３８ １．１３ ２．９３ ２．９３ ２．７ｌ ２．２．３土体的微细观结构及形貌表征 采用Ｈｉｔａｃｈｉ Ｓ－４８００型场发射扫描电镜观测各土样的微 观形貌，结果见图３（ａ） （ｅ）。对放大５０００倍时嘉峪关ｌ号土 样的堆积结构进行电子探针分析，结果见图３（Ｄ。 ５２．１６ １ Ｉ．２４ ５－３Ｏ ５．７６ ｌ １．６５ ０．８６ ５２．４４ ｌ】＿２５ ５Ｉ２９ ８．４８ ｌ ２．７４ ０．５４ ２．６１ ２．９４ ＫＫａ ～艇ｂｌＦ ＣｏＫａｃｏＫｂ ５．Ｏ０ ７．Ｏ０ ９ Ｏ０ （ｃ｛）哈密农场烽燧ｌ 样 （ｃ）哈密夫墩烽燧ｈ样 （ｆ）嘉峪炎１ 样微区电子探针分析 图３ 各土样的场发射扫描电镜照片及嘉峪关ｌ号土样的电子探针结果 图３表明，夯土多以粉粒为骨架，包括石英、钠长石、方解 间联结状况，以增强其宏观力学性能及耐水性。 试验土料选用嘉峪关关城加固施工工地上所用的嘉峪关 关大友嘉镁钙业有限公司提供，由工业氧化钙熟化而成，有效 石、白云石等矿物的碎屑，堆积形成松散而有均匀大孔隙的骨 ３．１ 试验用原材料及试验方法 架结构，黏粒和易溶盐分结晶附着于粉粒表面或在孔隙中起 方板状，大小不一，无取向。胶结形式上，硅质胶结较结实、规 整，另外存在较多钙质胶结。但总体上胶体含量低，胶结疏松。 着连接作用。针状颗粒较少，主要为片状、圆形、四方块状及六 本地土料，性能与嘉峪关夯土长城土料接近；氢氧化钙：嘉峪 氧化钙＋氧化镁含量为９５．３％；矿粉：嘉峪关宏达建材有限公 ｍ２／ｋｇ：偏高岭土：安徽金岭高岭土有限 孔隙分布不均匀，存在多种尺度的孔隙。这种结构的连接力通 司提供，比表面积５０１常较弱，胶结性能差。这种形式的胶结在外界水一热一盐一风的 公司提供，比表面积７２１ ｍ２／ｋｇ；纳米二氧化硅溶液：西安国华 共同作用下，土体微细结构遭受严重的破坏，宏观性质随之产 化工试剂有限公司提供，其中二氧化硅固含量为４０％。 将所取原状土碾碎，过５ ｍｍ筛，按照配方不同计算所需 加固剂数量。按含水率为２０％均匀喷洒进所有加固液。在专 生相应的劣化行为是本质原因。以上分析为土体进一步改性 及加固处理提供依据。 ３生土材料加固试验 本研究 文物保护准则的相关要求下，在沿用传统材料、 保留基本做法的前提下，增强夯土体的强度、提高其耐水性能、 材料，从加强土体微细观结构入手，改善土体矿物组成及颗粒 ・１２０・ 新型建筑材料 ２０１７，３ 用容器中将加固剂中的其它粉样与土样拌合均匀，用塑料薄 膜将容器封闭严实。静置让水分充分扩散后，装入７．０７ ｃｍｘ ７．０７ ｃｍｘ７．０７ ｃｍ及４ ｃｍｘ４ ｃｍｘｌ６ ｃｍ的试模中分３层夯捣密 实。试验温度２０ ２５ ，相对湿度３０％一４０％。试样成型后不养 无侧限抗压强度采用ＣＳＳ—ＷＡＷ３ＯＯＤＬ微机伺服压力试 最大限度的提高结构自身稳定性。因此，尽量选用无机质加固 护，自然环境露天放置，测试不同龄期试样强度。 王捷，等：基于生土材料微细观结构性能的加固关键技术研究 验机进行测试，加载速度控制为２ ｋＮ／ｓ。 ３．２试验结果与分析 对所有试样在成型后１、３、７、ｌ４、２８ ｄ用游标卡尺测量收 缩变形量，Ａ一１、Ｂ－１、Ｃ一１试块，由于加固剂掺量很少，有０．０５、 ０．０３、０．０２ ｍｍ左右的收缩。加固剂掺量增加后试块无收缩，表 ３．２．１ 不同材料掺量对加固土体强度的影响 固体加固配方的主剂为Ｃａ（０Ｈ） 、超细矿粉及煅烧偏高 明无机复合加固剂能够很好抑制收缩。岭土，加固溶液为浓度２％的纳米ＳｉＯ：溶液，试验含水率为 ３．２．３ 耐水崩解性能试验结果 ２０％，改变固体加固主剂的组成比例，固体主剂配合比及力学 性能测试结果见表３。 表３ 生土材料加固剂配合比及力学－陛能测试结果 选取代表性试样（加固样养护３０ｄ），浸没在水中，观察和 描述试样在水中随着时间的变化出现的现象。典型试验测试 过程描述如表４所示。 表４夯实试样静７ｋ崩解特性描述 试样编号 静水中崩解特性 骤 Ｂ－１ ，、。 １０ ｍｉｎ内有粉状及片状掉落：４８ ｈ内崩解完毕 －ｊ ， ２４ ｈ内有粉状及片状掉落现象：３个月无明显变化， 仍具有坚实的结构和强度。 根据测试结果，试样在水中浸泡后，水不会对土体结构造 成不良影响。对在水中浸泡３０ ｄ的试样Ｃ一３干燥后进行抗压 强度测试，抗压强度仍可达４．５０ ＭＰａ。从崩解试验看，未加固 的土体根本无抗水能力，在静水中很快崩解完毕。土体内部不 具备耐水侵蚀的结构特征。而掺加无机复合加固剂后，土体的 耐水性明显增强。复合加固剂与土作用，产生的化学胶结作用 由表３可见，加入无机复合加固剂后，生土材料的抗压和 使土体具有水硬性特征。土体结构显著增强，具有耐软水侵蚀 抗折强度较未加固前均有明显增加。原状夯土的抗压强度平 的水稳定性。 均约为ｌ ＭＰａ，而加固后２８ ｄ优选配方均可达２．５ ＭＰａ以上。 ３．２．４耐冻融性能试验结果 原状夯土的抗折强度约为０－２ ＭＰａ，加固后均可达０．４５ ＭＰａ以 试验设计初始含水率为１０％。计算各试样所需的加水 上。较大幅度的提高了土体密实程度及粘聚力，改善了综合力 量，利用滴管，按均匀滴渗的原则点滴完所加水量。设置冰冻 学性能。固体加固剂中Ｃａ（ＯＨ） 和偏高岭土含量变化对加固 温度为一２５℃，１２ ｈ后取出在室温下融化。１２ ｈ后又放入进行 后土体的抗压和抗折强度均有明显影响。随着Ｃａ（ＯＨ） 掺量的 冰冻。２４ ｈ为１个冻融循环周期。每１循环试验周期完成后， 增加，土体的抗压和抗折强度均有所提高。同时，在Ｃａ（０Ｈ）： 将试样取出，置于电子天平上，快速称重、拍照，观察并记录样 和超细矿粉掺量不变的情况下，偏高岭土掺量的增加也能引 境中，与矿粉及土体中的活性硅、铝物质发生矿物聚合反应， 品的表面结构变化，并用游标卡尺小心测量试样尺寸，然后重 骤，直到循环试验达到设计的周期数，并记录数据。 经历不同次数冻融循环后土体的表观形貌见图４。 由图４可见，经历５个循环后，未经加固的试样表面出现 现象非常相似。证明在西北寒冷地区，冻融循环对土体劣化作 起加固土体强度的提高。分析原因主要是偏高岭土在碱性环 新放入控制室进行下１个周期的冻融循环试验。重复上述步 同时纳米硅质加固液在土体中发挥化学激活作用、物理填充 密实效应及多尺度界面改善效应，多组分协同作用，综合改善 的力学性能得以提高。 了土体在成分和微观结构方面的缺陷。因此，宏观上使得土体 网状裂纹，表面起翘。外观形貌变化与野外土遗址表面的劣化 将优选配方（配方Ｃ一３及配方Ｄ一３）的试块在室内放置３ 用突出。经历ｌ０个冻融循环后，未经加固的试样结构出现贯 个月后，再露置在嘉峪关关城工地上，让试块经受综合环境条 穿裂缝。而经过加固的试块，３５个冻融循环结束后，土体加固 件包括目光暴晒、风吹及夜晚负温等考验３个月，然后进行强 剂掺量在２０％以上的土样，结构及外观等均无任何变化。无机 度测试。结果表明，硬化半年后，试块强度达到６ ＭＰａ左右， 加固剂加固后的土体，抗冻性能比普通土体提高很多。这是因 为加固土的结构均匀且密实，冻胀作用对结构的破坏作用影 响很小。并且内部结构优化，缓解了冻融过程中产生的冰胀压 Ｎ ＥＷ ＢＵＩ ＬＤＩＮＧ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ・１２１・ 表明强度不断发展，从而为抗渗保护工程提供了可靠的保障。 ３．２．２夯实试样收缩性能试验结果 王捷，等：基于生土材料微细观结构性能的加固关键技术研究 ５个冻融，俩环 术经ＪＪｌｌ［￣的ｌ一样 （ｂ）ｌＯ个冻融循环后未经加 的土样 （ｒ）３５个冻融环后加Ｉ酣的土样 图４经历不同次数冻融循环后土体的表观形貌 力和毛细孔水的渗透压力，这些都对抗冻性十分有利。 通过场发射扫描电镜观察Ｃ一３试件内部结构、静水浸泡 构，结果如图５所示。 对经历３５个冻融循环后的试件进行抗压强度测试，结果 １个月的加固土试件内部结构及冻融循环后的试件内部结 表明，抗压强度无明显下降。 ３．２．５微细观结构试验结果 ）Ｃ一３试件内部结构 （ｂ）静水浸泡１个ｆ］的加 上内部结构 图５试件的内部结构 由图５可以看出： 所取与城墙土体性能相近的粉质黏土掺入无机复合加固剂后 重新分层夯实．－匕部再做２０ ＴＴＩｍ厚无机复合加固剂改性粘土 （Ｉ）掺入无机土体加固剂后，在放大倍数为４０ ０００倍下， 内部微观结构仍非常致密，且能明显观察到胶凝物质。结构更 结合层，其上按现有铺地方式海墁３层青砖，相邻上下青砖需 加完整，且整体性更好。证明在足够的Ｃａ（０Ｈ） 环境中，黏上 错缝搭接。粘土夯筑及面砖铺砌时以排水孔位为中心纵向按 颗粒中的活性矿物成分硅、铝与Ｃａ（ＯＨ） 发生无机聚合反应， 化后上体的强度有相当大的贡献。 （２）加固后的土体浸水１个月后，胶状物明显增多，且相 为明显。 ２％放坡，横向按２％设置排水坡度。充分尊重现有城墙项部坡 ４．２施工工序说明 生成的物质大大提高了土体颗粒之间的连接强度，对最终固 度条件，不得改变墙体形制。 （１）无机复合加固剂配方加入土体时已经拌合均匀，但仍 （２）应由专业技术人员检查混料均匀性。如天气过于炎热， 应将翻拌土料适当遮挡。 互粘联。颗粒间联结程度加强，该现象比未用水浸泡的样品更 需采用搅拌机将复合加固剂与土体翻拌均匀。 （３）冻融循环结束后，内部结构仍致密。 ４工程应用及质量控制 庄现场针对土体的劣化状况，采用无机复合加固剂，并结 合相 丁 措施进行了Ｔ程应用，并通过实践积累的经验编 （３）土料加水翻拌均匀后，应放置２ ３ ｈ后进行夯筑效果 较好。夯击遍数宜为３￣４遍。 （４）因机械夯实对墙体振动影响较大，当用于墙顶坑洞夯 筑填补及防渗层夯筑施工时，可考虑采用人工夯实。 （５）在夯筑过程中应随时进行含水率、密实度及土体贯入 阻力等的测试。 制了相哭施工质量控制指标，以更好的指导施工作业。 ４．１ 嘉峪关关城墙体顶部防渗加固工程具体作法 为减少地表水的下渗，对城墙顶面进行全面防渗处理，具 体作法为：拆除海墁地面，清理城墙上部２００ ｍｍ厚墙体：将 ・１２２・ 新型建筑材料 ２０１７．３ （６）混合料在模板内虚铺的厚度以现场试验为准。虚铺水 平高度以设计排水坡度为依据。施工缝留置宜为４ ５ ｍ。 王捷，等：基于生土材料微细观结构性能的加固关键技术研究 （７）在进行上１层夯实前，应进行界面处理，保证界面的 后土体力学性能明显增强。２８ ｄ抗压强度可达４—５ ＭＰａ，完全 牢固黏结。夯筑完后覆盖薄膜进行养护７ ｄ以上，再进行上面 浸水中１月后强度有仍有增长。添加了加固配方的生土材料 作业。 ４．３施工质量控制指标 标应与原城墙粘土性能接近，所用土料颗粒细度应满足２ ｍｌＴｌ 耐冻能力比未加固的土体高出８倍以上。经加固后，夯土的结 构更加致密，力学性能和抗渗性能明显改善。是在符合传统工 （３）通过工程实践，嘉峪关关城城墙顶部夯土抗渗层性能 （１）材料性能要求：采用夯筑法成型时，所用土料性能指 艺要求下加固土体的有效手段。 方孔筛筛余量小于５％。 得以改善，顶部土体承载力提高，保证了整个土体结构的稳定 并通过施工提出了加固 （２）水固比：墙顶夯筑防渗层时，水固比大小应为由击实 性，也是防止变形与渗漏的基本前提。试验所确定的最佳含水率。无机复合加固剂掺量为土体质量 土体的工艺措施及相关材料性能指标要求，从整体和系统的 的１５％一２０％，具体视现场实际情况而定。 角度解决生土建筑的加固问题。 （３）强度要求：测试加固土体３、７、２８ ｄ抗压强度及７、２８ ｄ 该固化方法简便易行，在旅工现场具有可操作性。经加固 抗折强度。７ ｄ抗压强度不低于１．８ ＭＰａ，２８ ｄ抗压强度不低 后的夯土保持了原夯土的质感和外观，且力学强度成倍增加， 于２．５ＭＰａ。 符合文物保护原则。 （４）成型过程中的夯实密度控制：夯实率应不小于５０％～ ｐ ６０％。最佳含水率下的夯实密度应在１．８０—１．９０ ｇ／ｃｍ。。 参考文献： （５）加固效果增强：夯筑过程中为增强整体拉结性，可在 ［１】张虎元，严耿升，赵天宇，等．生土建筑遗址干湿耐久性研究［Ｊ］．岩 内部掺入适量麦草或适量麻丝。 土力学，２０１１，３２（２）：３４７—３５５． （６）耐久性能：养护２８ ｄ的试样应具有明显优于原土体 黄克忠．文物建筑材质的研究与保存［Ｊ１＿东南文化，２００３（９）：９３— 的耐水性，耐干湿循环的次数应大于原土坯２ ３倍。现场取 ９６． 样软化系数应大于０．７。干燥２ ｄ收缩小于０．１％。 崔凯，谌文武，张景科，等．干旱区古代建材夯土特征及劣化机理 ５结论 研翘Ｊ】＿四川大学学报：工程科学版，２０１２（６）：４７—５４． 严耿升．干旱区土质文物劣化机理及材料耐久性研究［Ｄ］．兰州： （１）从微观的角度深入认识土体加固时内部的胶结质量和 兰州大学，２０１１． 强度问题，提出强化胶结强度的途径。研发出的无机复合加固 赵海英，李最雄，韩文峰，等．西北干旱区土遗址的主要病害及成 剂加固土体是一个多相体系，各组分具有协同作用，并以无机 Ｊ】＿岩石力学与工程学报，２００３，ｓ２：２８７５—２８８０． 聚合反应为主，将土体胶结为坚固密实的整体。 梁涛．地区土遗址病害类型及成因初步分析［Ｊ］＿考古与文物， （２）室内试验结果证明，加固材料掺量在１５％ ２０％，加固 ２００９（５）：１０３—１０６． Ａ （上接第１００页） 【３］王新友，蒋正武，高相东，等．混凝土中水分迁移机理与模型研究 （３）通过显微放大图像对玻化微珠砂浆空隙结构进行分 评述【Ｊ］．建筑材料学报，２００２，５（１）：６７—７１． 析，随着玻化微珠掺量的增加，胶凝材料不能充分填充骨料间 ｆ４］ Ｍａｒｔｙｓ Ｎ Ｓ，Ｆｅｒｒａｒｉｓ Ｃ Ｆ．Ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｍｏｒｔａｒｓ ａｎｄ 的空间，形成大量连通的孔隙，且孔隙迂曲度高，边界破碎，形 ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９７，２７（５）：７４７—７６０． 状不规则，导致毛细吸水作用增加。 ［５】 Ｂｅｎｔｚ Ｄ Ｐ，Ｅｈｌｅｎ Ｍ Ａ，Ｆｅｒｒａｒｉｓ Ｃ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｓｏｒｐｔｉｖｉｔｙ—ｂａｓｅｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ【Ｃ］／／７ｔｈ 参考文献： Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｐａｖｅｍｅｎｔｓ，Ｏｒｌａｎｄｏ，ＦＬ， ［１］李淑红，王立成．多孔建筑材料毛细吸水过程研究进展综述［Ｊ】＿ ２００１． 水利与建筑工程学报，２０１０，８（６）：１６—２Ｏ． 【６］沈春华，水中和，周紫晨．水泥基材料水分传输及动力学研究『ＪＪ． 【２］李洪马，潘志华，陈阳义，等．水泥基材料水分传输的影响因素研 武汉理工大学学报，２００７，２７（９）：８４—８７． 究叨．混凝土，２０１５（９）：９７—１００． Ａ ＮＥＷ ＢＵＩ ＬＤＩＮＧ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ・１２３・
