1、1干旱区 PS 加固土建筑遗址风化耐久性现场试验研究内容摘要：风化是土建筑遗址最为常见和影响严重的病害之一，目前关于土遗址风化耐久性研究多为室内、现场模拟试验。为了探求 PS 材料（高模数的硅酸钾溶液）加固土遗址的实际风化耐久性效果，在新疆米兰遗址现场进行了实体试验，使用模数为 3.7 浓度为 3%、5%、7%的 PS溶液对试验区进行加固，然后利用扫描电镜分析其微观结构，利用红外热成像仪测量温度敏感性，并进行现场风蚀和雨蚀试验。试验表明，PS材料可有效提高土建筑遗址表面抗风化能力。 关键词：干旱区；土遗址；风化；PS 中图分类号：TU361 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（201
2、3）01-0029-06 引言 古丝绸之路横贯欧亚大陆，在历史上促进了欧亚非各国与中国之间的经济和文化交流1，2，古丝绸之路在中国境内主要通过陕西、甘肃、新疆3，沿途分布了大量的土遗址。 风化是土遗址较常见和严重的病害之一。已有学者针对土遗址风蚀机理及防护等开展了大量研究4-7，并开发了多种保护材料8，9。PS材料（高模数的硅酸钾溶液）是迄今为止被普遍认可的一种土遗址保护材料，在 20 世纪 80 年就已经开始实验室和现场研究10，11。已有研究对 PS 材料加固土遗址的风蚀耐久性进行了一些室内试验和现场模拟实2验12，13，本文采用 PS 材料，选择新疆米兰遗址进行风蚀耐久性的室内和现场试验
3、，将室内试验和模拟试验真实化，为土遗址保护从试验向应用推进提供可靠依据。 1 米兰遗址 1.1 概况 米兰遗址位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州若羌县东北70km 的荒漠中，是全国重点文物保护单位，分布于 45.6km2 的范围内，由戍堡、佛塔、佛寺、古灌溉渠道、烽燧等组成。 1.2 区域条件 米兰遗址地处塔克拉玛干沙漠的东南缘，罗布泊南部的阿尔金山下。因该区域处于中纬度的欧亚大陆腹地，塔里木盆地东部，四周为崇山峻岭所环抱，地形闭塞，降水稀少，气候干燥，属大陆性干旱荒漠气候。遗址区气温日温差和年温差较大，多风沙，少雨雪，沙尘暴较频繁。年降水量约 20mm，多集中在夏季，日最大降水量 118
4、mm，蒸发量达约3000mm。年平均气温 10.7-11.5，极端最低气温-27.2，极端最高气温 43.6。全年盛行东北风，八级以上大风日年均 36.9 天，平均风速2.7m/s，最大风速可达 40m/s。 1.3 风蚀病害 米兰遗址的建筑工艺多样，有天然土夯筑、红柳或芦苇加筋垛泥、土砖砌筑、生土块砌筑。由于材料和建筑工艺的因素，遗址性质脆弱。该区沙尘暴频繁及温度变化剧烈，遗址遭受着严重的风蚀破坏。典型的风蚀现象有四种：蜂窝状墙貌，土砖砌筑缝空虚，加筋层出露，和雅丹3层凹进。在风沙磨蚀与旋蚀作用下，局部软弱部位产生剥离形成蜂窝状墙貌。土砖与层间胶泥强度发生差异风化，胶泥首先脱落。在使用红柳或
5、芦苇加筋工艺建造的位置，夹层腐烂较慢，中间垛泥材质较弱，风化较快，因而出现加筋层出露现象。雅丹层抗风蚀能力较弱，造成建造于雅丹之上的遗址失去支撑，出现墙体裂缝和崩塌。 2 材料及方案 2.1 材料 PS 材料加固现场试验所需区域较大，且为破坏性试验。鉴于文物的特殊性，不能在文物本体上直接试验，因此本次试验所选区域为距离米兰戍堡较近的雅丹土。另外，文物本体是建造于雅丹地层之上，且土遗址建造原料是取自雅丹后加工而成，雅丹地层的风蚀也严重影响到文物本体的稳定，目前有很多文物本体因雅丹地层风蚀缩进而发生拉裂或坍塌。表 1 为雅丹土的基本物理性质指标。表 2 是雅丹土的化学分析试验结果。表 3 为雅丹土
6、的颗粒组成分析。 现场雅丹土的加固材料选用 PS 材料，试验选择较平整的试验面，用不同浓度的 PS 溶液对遗址风化表面进行加固。借鉴新疆交河故城抢险加固工程及其他遗址保护工程的经验，选取模数为 3.7，浓度为 21.7%的 PS原液，配制 3%、5%、7%三种浓度的 PS 溶液进行喷渗加固。 2.2 方案 本试验区表面风化层厚约 8-10mm，因此选用 PS 溶液喷洒渗透的方法。将试验区划分为四块面积为 10050?的条形试验区，分别为空白区和 PS浓度分别为 3%、5%、7%的加固区，每块条形试验区上半部分 5050?作4为风蚀试验区，下半部分 5050?作为雨蚀试验区。文中 W0 表示原始
7、表面形状的风蚀试验区，W3 表示 PS 溶液浓度为 3%的风蚀试验区，R0 表示原始表面形状的雨蚀试验区，R3 表示 PS 溶液浓度为 3%的雨蚀试验区，其他编号以此类推。 PS 溶液分三次喷洒渗透，三次的渗透量分别为2400ml/m2、2000ml/m2、1000ml/m2。渗透时间间隔为 24 小时，每次渗透时间选择在早晨 7：00-7：30 进行（空气温度 20左右） ，每次渗透后进行表面覆盖阴干。使用手动喷壶喷洒渗透，在喷洒 PS 溶液前首先喷洒800ml/m2 的清水湿润土层表面，喷洒时速度控制为 PS 溶液不成股流下为宜。养护完成后进行风蚀及雨蚀破坏性试验。 3 试验结果及分析 3
8、.1 微观结构 土体的微观结构决定了土体的各项指标，为了解试验区土体的微观形态，对 W0、W3、W5 及 W7 区所取原状样进行显微观测。设备采用日本生产的 HITACHI 牌 SU-1500 型扫描电子显微镜，分辨率为 5-300000 倍，本次拍摄放大倍数为 2000 倍。 由图 1 可见，未加固的试样（W0）其结构层状和片状分明，粒度大，孔隙多，颗粒间黏结弱，颗粒边界明显。在 PS 加固后试样的显微结构图中可见，W3 中还能看到一些片状结构和大颗粒，但较之 W0 其孔隙率明显降低，且孔隙变小，在 W5 中，大颗粒很少，且孔隙更小、更少，而在 W7中可以看到 PS 溶液在其表面上的结晶物，
9、试样表面变的光滑，颗粒间隙被充填，颗粒被固定。图中的微观结构信息表明，土体在经 PS 溶液渗透5后，其颗粒结构形态及排列发生了显著变化，颗粒变小，颗粒由点接触式变为胶结，PS 充当了胶凝材料，充填了颗粒间隙，使孔隙率降低，促使土体强度提高。 PS 作用于黏土矿物后，改变了分离的、片状的晶态黏土矿物的微观结构，形成了一种致密的非晶态凝胶网状结构，这种结构的变化决定了其物理强度和抗风化能力的增强。黏土颗粒与 PS 溶液的作用分为两个方面：一个方面是 PS 的离解产物对黏土颗粒的金属阳离子的静电吸附作用，这种作用的结果是破坏了黏土颗粒的结构，形成了非晶态的硅铝酸盐；另一方面是黏土颗粒与 PS 中钾离
10、子的交换和吸附作用，使分散的黏土颗粒形成较大的团粒，形成了整体的联结14，15。3.2 温度敏感性 采用红外热成像仪进行 PS 渗透区和空白对比区进行表面温度测量。仪器采用武汉高德公司生产的 IR928+型非制冷焦平面红外热像仪，测温范围为-20-500，在-20-125温度范围内，测量精度1，发射率取 0. 93。测量时间为环境温度较低即环境温度逐渐开始升高的时间段（早晨） ，当地环境温度在一天内相对较高时刻（中午） ，环境温度较低即环境温度逐渐降低的时间段（傍晚） 。图 2 为土体表面温度与 PS 浓度的关系。 由图 2 可见，W0 与 W3、W5 和 W7 对温度的敏感性发生了变化，在环
11、境温度较低且温度逐渐升高的时刻（早晨）和环境温度逐渐降低的时刻（傍晚） ，W0 区温度低于 W3、W5 和 W7，这说明在土体向外界进行能量输出时，PS 渗透区土体有利于能量由土体内部向环境中的输出，出现表面6温度相对较高的现象，而环境温度相对较高的时刻（中午） ，W0 区温度高于 W3、W5、W7，在土体从外界吸收能量时，PS 渗透区土体可以及时将能量由环境输入到土体内部，而出现表面温度相对较低的现象。在未经 PS加固的情况下，天然土体的表面最高与相对最低温度之差达到 23.3。当采用 3%PS 进行渗透处理后，相同气象条件下最高与相对最低温度之差达到 19.8。当采用 5%PS 进行渗透处
12、理后，最高与相对最低温度之差达到 18.2。当采用 7%PS 进行渗透处理后，最高与相对最低温度之差达到16.3。由此说明 PS 溶液的渗入改变了土体的温度敏感性，使能量在表面的聚集程度降低，可以使能量比较有效地传递至能量较低的环境中去，且 PS 渗透浓度越高，表面温度变化越小。PS 溶液与土颗粒接触，改变了土体结构，从而改变了土体中一定厚度土体的热传导系数。 在西北地区，环境气温会发生剧烈的日变化和季节变化，遗址表层土体的温度也会随之发生改变。这会引起土颗粒骨架不断地重复膨胀收缩循环过程，加速土体的劣化与分解。以上试验数据表明，PS 加固后，能在一定程度上降低土遗址随环境气温变化的敏感性。这
13、就是说，PS 加固不仅提高了土体自身的强度，且加固后的土体还表现出抑制热胀冷缩的热力学特点。这显然对提高遗址的防风化能力是有益的。PS 加固土热力学性质改良，可能与加固土热传导系数的变化有关。 3.3 风蚀耐久性 现场风蚀试验设备采用功率为 370W 的鼓风机，出风口连接导流筒，风速固定为 19m/s，吹蚀时间为 5min。试验时砂粒由导流筒上方的漏斗加入，通过流量控制阀控制进入导流筒中的砂量，导流筒保持水平放置，7与试验面间距为 0.5m。试验所用砂子取用遗址周围普遍存在的戈壁天然砂，其级配见表 4。 图版 21 所示为试验区风蚀前后的形态。从图中可以看出，W0 为风蚀区整体剥离破坏，边界上
14、仍可看到被剥离的截面，W3 为风蚀中心区逐渐风蚀造成中心区片状破坏，而中心区周围仍为点状破坏，W5 仅风蚀中心区出现一小片剥离区，而多为点状破坏，W7 仅在风蚀中心区出现数个点状破坏区，中心区周围发育了一些小的裂纹。表 5 为上述 4 个区风蚀程度统计表。 图 3 为风蚀面积与 PS 浓度和风蚀时间的关系。从图中可以看出，风蚀面积随风蚀时间的加长而逐渐增大，随 PS 浓度的升高而逐渐变小，且在风蚀后期风蚀速率逐渐降低，这是因为表部的强风化层已经被该风速下的携砂风侵蚀殆尽，出露的底层仍比较坚硬，同时这一过程也是风蚀不断推进演化的过程。另外在浓度由 3%到 5%之间的风蚀面积曲线有一个大的跳跃，因
15、此对于该种土应使用浓度不小于 5%的 PS 溶液进行加固保护，才能保证其加固效果。从表 5 和图 3 中点状和面状破坏的起蚀时间以及风蚀深度上也可以看出，从 W0、W3、W5 到 W7，起蚀时间在逐渐增长（时间效应） ，而风蚀的最大深度在逐渐减小，由此说明不同浓度的 PS 溶液对土遗址的加固效果不同。 现有研究成果表明16，随着 PS 浓度的增大，土体的各项性能指标逐渐提高。但 PS 浓度太高时，SiO2 含量高，凝结时间短，影响渗透，加固效率和深度有所下降。PS 浓度过低，SiO2 含量低，凝结时间长，而残余 K2O 和 CO2 遇水将生成 K2CO3，不仅影响外观，而且降低了胶结体的稳8定
16、性。因此，对不同土遗址的 PS 渗透加固，应选择合适的浓度。 3.4 雨蚀耐久性 待试验区养护完成后（渗透后 1 周）进行雨蚀试验。使用自行设计的雨蚀试验设备，最大流速为 17.3m/s。雨蚀试验所用水来自当地的自来水。出水喷头距试验面 50cm，喷头与墙面垂直。对每块试验区以固定的流量（66ml/s 或 143ml/s）雨蚀 5min。观察试验面变化，记录开始破坏时间、破坏面积、破坏深度，测定水入渗深度。 PS 喷渗加固区雨蚀后区域表面较为平整，作旧层被水流带走，干燥后显露出作旧前的深黄色，但试验面无明显的雨蚀坑（图版 22） ，表面形态雨蚀前后差异不大，无原始物质被水流带走。未加固的 R0
17、 区在水流的作用下，松散的风化层被水流带走，雨蚀中心区出现较大的雨蚀坑，显露出风化较弱的内部土体。雨蚀过程中，空白区形成的水流呈黄色，雨蚀后形成雨蚀坑，而由 PS 喷渗加固区流下的水流较清。 4 结论 （1）通过对试验区进行表面红外拍摄监测其表面温度变化可以发现，PS 改变了土体的温度敏感性。在西北地区，剧烈的温度变化使土遗址表层土体不断地进行着膨胀收缩膨胀的循环过程，加上水分干湿循环和冻融循环的作用，加剧了土体的风化，PS 在一定程度上降低了土遗址的温度敏感性，有利于抵抗风化。 （2）由微观结构信息可以分析得出土体在经 PS 溶液渗透后，其颗粒结构形态及排列发生了显著变化，颗粒变小，颗粒由点
18、接触式变为胶结，PS 充当了胶凝材料，充填了颗粒间隙，使孔隙率降低，促使土体强度提高。但过大的浓度使表面龟裂，9因此喷渗时需控制 PS 的浓度。 （3）现场风蚀耐久性试验中，随着 PS 浓度的提高，试验区遭受风蚀破坏的面积及深度减小，且起蚀时间延长，即抗风蚀能力在增强。 （4）现场风蚀试验中，未加固区（W0）在短时间内表层破裂而发生片状剥离破坏，3%PS 溶液加固区为点小片大片的破坏模式，5%PS 溶液加固区的风蚀现象为点小片，浓度 7%PS 溶液加固区的风蚀现象为点状破坏，表面小裂纹发育。 （5）雨蚀试验中，空白区在水流作用下强风化层形成泥流而损失，显露出仍具有一定强度的弱风化层或未风化层，
19、雨蚀中心区呈现雨蚀坑。PS 喷渗试验区在水流作用下表面作旧层被带走，但表面没有发生损坏，在作旧层损失后从表面流下的为清水，水下渗深度在 1-4cm 之间。 参考文献： 1DeFalco， Daphne Li-mei. The Silk Road in ChinaM. California State University， Long Beach. M.A. 2007. 2涂裕春.古丝绸之路与各民族的融合J. 西南民族大学学报?人文社科版，2004，25（2）：21-23. 3Wu Dunfu. Footprints of foreign explorers on the Silk RoadM.
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