李琦峰，党 冰，孔垂鹏

（甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050）

1 引言

土遗址作为文物古迹的一种，是从石器时代开始的，是以土作为主要材料的建筑[1]。中国历史悠久，拥有极为丰富的文物资源，这些文物资源的历史、艺术、社会、文化价值突出，但普遍时代早，掏蚀、坍塌、裂隙、片状剥蚀、冲沟等病害严重[2-11]，整体保存状态较差。对遗址本体产生的危害主要是自然威胁，但自然力的破坏是一个长期的过程，破坏速度缓慢；其次是人为威胁，人为威胁虽然危害较小且短暂，但破坏力明显。自然因素和人为因素两方面共同作用，使得土遗址严重破坏。

针对风、雨、水、盐类活动等单独或组合作用下不断掏蚀凹进形成的底部掏蚀、中部掏蚀等可能引起遗址稳定性的病害，主要采取的加固措施有夯土补筑和土坯砌补[12]，此加固措施在高昌故城、交河故城等墙体掏蚀坍塌区的加固保护中已成功应用[13-17]。在使用土坯砌补及夯土补筑2种方式对土遗址进行支顶加固[18]，夯补相较于砌补的优势是：一方面，夯补拥有和遗址本体相同的制作工艺；另一方面，夯补体自身具有一定的稳定性，抗风、耐雨蚀能力较强。但夯补也存在一些缺点，其缺点是夯补产生的振动会对遗址本体影响[19-21]；传统砌补方式也容易造成新砌部位和原遗址分离。

近年来，很多学者逐渐将研究领域延伸到利用料礓石加固岩土质文物领域中，在对料礓石进行初步研究时发现，其主要矿物成分为70%～80%的碳酸钙和20%～30%的黏土[22]，是一种无毒、无污染的材料。在初步研究的基础上，赵林毅等[23]研究了700～1 400 ℃煅烧温度对料礓石材料的改性效果，其结果表明发现随着煅烧温度的升高，水硬性组分β-硅酸钙和铝硅酸钙含量增加，而气硬性成分石灰氧化钙在1 100 ℃时含量最高。李黎和赵林毅[24]对烧料礓石固化机制进行了研究，发现其主要包括水化反应及碳化反应。李黎等[25-26]对中国古代建筑中两种传统硅酸盐材料料礓石和阿嘎土以及古建筑中几种石灰类材料的物理力学特性进行了对比分析，发现改性的料礓石可用于土遗址的加固；谌文武等[27]以烧料礓石为灌浆基料，夏官营遗址土为拌合料，对烧料礓石浆液结石体试样进行物理性质、水理性质等室内试验，研究结果表明结石体结构稳定、整体性好，且耐雨蚀能力强，是一种合适的土遗址灌浆材料。

将料礓石引入岩土质文物保护领域，前面的学者主要从料礓石成分、固化机制、适用性及烧料礓石拌合遗址土灌浆方面进行了研究。烧料礓石也可被用于加固土遗址掏蚀区。因此，基于临潭县牛头城遗址掏蚀区加固工程，针对含烧料礓石固化土的耐候性、力学特性以及色度差异进行了一系列室内试验研究，所得结论可为烧料礓石改性土夯筑加固土遗址提供理论指导。

2 试验材料

以临潭县牛头城遗址附近的黄土作为夯筑材料，烧料礓石作为固化剂。图1为夯土材料。对牛头城遗址附近的黄土按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）进行测试，测该黄土的基础物理性能和参数。其中，图2为土样粒径分布曲线，表1为黄土基本物理性质。

图1 夯土材料

图2 土样粒径分布曲线

表1 临潭县牛头城遗址附近黄土的基本物理性质

采用1 100 ℃时的烧料礓石进行室内试验的研究，烧料礓石固化机制主要包括：

（1）水化反应。

烧料礓石中含有的水硬性胶凝成分β－CaSiO3和Ca2Al2Si2O8，水硬性组分β－CaSiO3和Ca2Al2Si2O8，与H2O快速进行水化反应，生成β－CaO·SiO2·nH2O及2CaO·Al2O3·SiO2·nH2O；同时，气硬性成分CaO，先与H2O反应生成Ca（OH）2，开始产生初始强度。改性后的料礓石与水接触后的反应如下：

（2）碳化反应。

后期，气硬性成分CaO与H2O反应后生成Ca（OH）2，再逐渐吸收土体中CO2，碳化生成CaCO3，以上反应过程可描述为：

3 试验方法

将所取夯筑黄土配成烧料礓石质量分数为0、4%、8%低掺量下的改性土。在最大干密度和最优含水率条件下，使用不同规格模具制作含不同烧料礓石掺量的土样，制作用于崩解、收缩、色度差异的土样时需分层夯实，且每层采用土工刀进行“打毛”，采用静压法对测试抗剪强度的土样进行制作。对制成的土样进行脱模处理，进入养护期，养护条件为室内温度（25±2）℃和室内相对湿度（30%±2%）。

3.1 崩解性试验

崩解试验使用规格为50 mm×50 mm×50 mm 的土样，参考 《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）进行崩解试验，测试土样在不同养护时间的崩解率，设置崩解情况的测试时间节点为土样养护时间的1 d、7 d、14 d，通过崩解率来评价不同土样的崩解性能。崩解率At的计算方法见式（5）。

式中：Rt为t时刻液面处对应的浮筒刻度（mm）；Ro为浮筒刚进入水中达到瞬时稳定状态时试验开始时液面处对应的浮筒刻度（mm），Rf为未装载试样时液面处对应的浮筒刻度（mm）。

3.2 收缩性试验

用于掏蚀区加固的新夯土，其密实程度主要受干缩的影响较大。因此，使用规格为40 mm×40 mm×160 mm的土样，对不同掺量的土样进行收缩测试，测试不同时间点的收缩情况，由于土样含水量较高时，土样会出现快速失水、干缩，所以设置测试的时间节点为脱模后40 min、1 h、3 h、6 h各测一次，往后一天一测，测试试验所用的仪器为游标卡尺。对土样在制作、脱模后收缩程度的表征采用线缩率δi。线缩率的计算方法见式（6）。

式中：δi为某时刻的轴向线缩率（%）；Zi为某时刻游标卡尺的读数（mm）；Zo为开始时游标卡尺的读数（mm)；ho为开始时土样的长度。

3.3 抗剪强度

使用Φ61.8 mm×20 mm的土样，调整剪切速率为0.8 mm/min对其进行快速剪切试验，取4个平行土样，分别施加50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的轴向压力，在垂直压力的作用下，施加水平剪切力对土样进行剪切。研究不同掺量（0、4%、8%）条件下的抗剪性能。

3.4 色度差异试验

针对土遗址加固，不同材料和加固工艺的使用会造成原遗址土体和掏蚀区新夯土体的颜色有所差异，又文物保护应遵循“修旧如旧”的原则。因此，色度是判断材料是否适宜的一个重要指标[28]。故使用规格为40 mm×40 mm×160 mm的土样，参考《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），对不同掺量的土样进行色度测试。对各土样分别选取3个测点进行测试，如图3所示。设置测试的时间节点为每天一测，测试不同时间点的色度情况。根据公式（7）计算色差值△Eab。

图3 色差试验试样

式中：△L表示明暗差异；△a表示红绿程度差异；△b表示黄蓝程度差异。

4 结果与讨论

4.1 崩解性试验

图4是养护时间为14 d土样的最终崩解状态。崩解性试验中的土样，在不同的养护时间其崩解情况有所不同，不同掺量的土样在水中经历的过程不同，但基本都会经历前期、中期和后期3个阶段，土样的崩解现象基本表现为在试验进行的前期土样刚浸入水中时，表面出现气泡但未见明显的崩解，此阶段的崩解量较小；在试验进行到中期时，土体开始从最外层棱角处最先开始崩解，随即少量剥离掉落，紧接着出现大部分崩解，土块开始崩塌；在试验进行到后期时，掺量为0的土样，在后期其崩解结果是土样基本完全崩解，掺量为4%的土样后期崩塌成颗粒较小的堆状，但掺量为8%的土样崩塌成有块状的碎样。

图4 土样养护14 d后最终崩解状态图

通过式（5）计算其崩解率，计算结果如图5所示。图5表征了养护时间和掺量与崩解量的关系，随着养护时间和掺量的增加崩解量逐渐减小。掺量大且养护时间长的土样崩解速度比较缓慢，而掺量小且养护时间短的土样崩解速度快。不同掺量的土样虽然崩解速率不同，但总体上均呈现出掺量越大其崩解速率越缓慢的趋势。

图5 土样的崩解率

4.2 收缩性试验

收缩性试验中试样的线缩率和质量变化分别如图6、图7所示，图6表征了不同掺量的土样收缩大体趋势相同，但收缩程度略微有所不同。其收缩主要发生在脱模后前两天，随着土中孔隙水的减少，土体体积产生收缩，土样的线缩率会出现变化，这是相对于自身含水量而言其相应的体积发生了变化。图7表征了土样的质量随养护时间的变化情况，其呈现出了与土样的线缩率相似的反向变化趋势。当土样含水量较高时，土样会出现快速失水、干缩；当含水率变低后，土样的收缩速度降低。

图6 土样线缩率变化趋势

图7 土样质量变化趋势

4.3 抗剪强度

对不同掺量的土样进行抗剪强度试验，养护14 d后得到不同掺量的剪应力与剪切位移关系曲线如图8所示。不同掺量土样的剪切荷载-位移曲线均经历了上升段、下降段和收敛段，但相同垂直压力下，掺量大的土样抗剪强度强。上升段时从开始加载至峰值荷载时，剪切荷载-位移约成比例增长。下降段时宏观裂缝不断扩展延伸，逐渐形成一条贯穿的平直裂缝，土样被剪切成两部分，因此，抗剪强度开始减小。收敛段时剪切荷载下降非常缓慢，且相对稳定，该阶段土样已完全破坏。碳化反应产生的硅酸钙、铝硅酸钙等晶体是产生强度的原因，晶体是决定后期强度的主要因素。其次是离子交换的出现，使土壤颗粒表面吸附Ca2+形成的扩散层变薄，土壤颗粒的分散性降低，大量分散的土壤颗粒形成较大的土壤颗粒团，从而提高土壤的强度。

图8 不同掺量土样的抗剪强度

4.4 色度差异试验

对不同掺量的土样进行色度差异测试，每种掺量经过脱模后测试了其表面的色度情况，每个掺量土样测3个点，根据测试结果计算不同掺量土样与未掺量色度L、a、b的差值，并根据公式（7）计算色差值。掺量为4%和8%的土样经过16 d天后表面色度变化情况的计算结果分别如图9、图10所示。

图9 掺量色度值为4%的变化情况

图10 掺量色度值为8%的变化情况

结果表明，烧料礓石的掺量使得土样表面的颜色略有变化。与未加烧料礓石的土样相比，固化土的Δa和Δb指标变化较小，且各指标变化趋势相似。但是，ΔL的变化较明显，并且ΔEab的值与ΔL相似。因此，土样表面颜色的明暗度是色差的主要影响因素。但总色差值ΔEab均在3以下，基本满足土遗址保护要求[29]。

5 结论

支顶加固为土遗址保护加固的方式之一，支顶加固使用的夯土材料会影响支顶加固的效果，因此采用室内试验对含烧料礓石的固化土进行了耐候性能、力学性能及色度差异的研究。

烧料礓石的引入可以有效地提高土样的抗崩解性、抗收缩性。土样崩解率随掺量和龄期的增加而减少。土样养护14 d后，随着烧料礓石掺量的增加，土样的崩解率从100%降到51.72%。不同掺量土样的收缩趋势相似，试样在早期收缩率变化较快，但不同掺量的土样收缩程度不同，总体而言，高掺量的土样收缩较小。

烧料礓石的加入也可使土样的抗剪强度有所提高。土样养护14 d后，4%和8%掺量的土样比未加固时增加了10.79%和47.25%。烧料礓石的加入使土样表面颜色发生轻微变化，且主要是明暗程度的变化，4%和8%掺量的土样总色差值分别为1.9和2.4，但总色差值均在3以下，符合土遗址保护要求。