干旱区PS加固土建筑遗址风化耐久性现场试验研究
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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。
中图分类号：TU361 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2013）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，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118mm，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100×50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50×50作为风蚀试验区，下半部分50×50作为雨蚀试验区。文中W0表示原始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
3.1 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，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，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定性。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，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，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。
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