陳 平， 楊瑜瑞， 郝宏偉， 宋澤維

（1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；2.陜西省文化遺產(chǎn)研究院，陜西 西安 710075）

榆林位于陜西北部，是陜北地區(qū)政治、軍事、文化中心.榆林城墻作為其標志性建筑之一，充分體現(xiàn)了自十五世紀以來陜北文化的深厚內(nèi)涵，是研究陜北古代政治、軍事、文化、建筑等不可多得的實物載體，也是推動地方經(jīng)濟建設、發(fā)展旅游事業(yè)的珍貴資源.

榆林衛(wèi)城南城墻甕城至魁星樓段城墻由于雨水沖刷及戰(zhàn)爭破壞，導致墻體變薄，外包磚懸空、下沉、斷裂、坍塌，內(nèi)側土墻破壞尤其嚴重，原頂部寬度近10m，底部寬度近15m的城墻現(xiàn)絕大多數(shù)地段頂部寬度僅約3m.為傳承歷史，保存人類優(yōu)秀文化遺產(chǎn)，對榆林衛(wèi)城南城墻采取搶救性保護加固措施已迫在眉睫.本文試驗工作即為配合其中內(nèi)側城墻修復保護工程而進行.

古城墻遺址破壞包含風蝕、鹽蝕、凍融、雨蝕等一系列問題，國內(nèi)外對土遺址的研究主要集中在化學保護方面，尤其集中在PS（硅酸鉀溶液）材料保護方面；物理及古城墻修復保護方面涉及較少.本文研究的改性土加固保護是一個復雜而新穎的方向，涉及改性土研究和古城墻保護兩個交叉學科的問題，在國內(nèi)外文獻中較為少見.

1 試驗原則及方案

1.1 保護原則

采用原有的建筑形制、建筑結構、建筑材料、工藝技術對城墻進行加固保護是文物保護的原則性要求.因此，采用素土夯筑的方法對內(nèi)側城墻加固是加固保護方案的首選.然而，由于素土自身抗風化、抗雨蝕的能力較弱，所以要求加固保護措施應盡可能使城墻在滿足強度要求的同時兼具良好的耐久性.

1.2 研究方案

本次加固試驗方案提出在城墻夯筑時對土體進行改性，要求改性后土體具有如下能力：（1）抗風蝕；（2）抗雨蝕；（3）強度較高；（4）耐鹽蝕性能較高；（5）抗凍融性能較高；（6）保持原有遺址原貌特征.試驗方案設置如下：取現(xiàn)場土樣、料姜石及市場購買的水泥、熟石灰，按不同配比將上述原材料加工成試件并對其性能進行對比試驗［1］.

筆者通過化學成分分析，發(fā)現(xiàn)前人用于榆林衛(wèi)城城墻土體里含熟石灰成分及一種特殊建筑材料——料姜石，該建筑材料產(chǎn)于華北、西北黃土地帶及石灰?guī)r古風化層中，主要分布于河北邢臺、陜西北部、山西等地，因此本文在原有材料的基礎上，改變其中組成比例，并摻入少量水泥，以實現(xiàn)墻體更優(yōu)的力學及耐久性能，從而為保護古城墻做出貢獻.

2 原材料與試件制備

土樣和料姜石均取自榆林衛(wèi)城城墻的施工現(xiàn)場；32.5普通硅酸鹽水泥和熟石灰由陜西耀縣生產(chǎn).料姜石經(jīng)手工砸制、過篩得到粒徑不大于3mm的粉末.

依據(jù)GB／T 50123—1999《土工試驗方法標準》測定榆林素土物理性能，如表1所示.原有城墻夯土土體最大干密度均值為1.80g／cm3，Ca2＋含量1）本文所涉及的含量、液塑限等均為質量分數(shù).占土體總質量的10%，料姜石含量為5%～20%，石灰含量為4%～10%.根據(jù)上述測定結果，本著修舊如舊的原則，摻和料中料姜石和熟石灰應在原有基礎上進行配比；水泥相對而言是新型材料，其摻量應嚴格控制，不能超過10%（試驗發(fā)現(xiàn)水泥摻量為10%的試件顏色已略不同于素土試件）.表2為9種配合比試件的編號及其在各類試驗項目中使用的情況；表3為9種試件的平均含水率（試件加工時的控制含水率）和平均干密度.

表1 榆林素土物理性能Table1 Physical properties of Yulin soil

表2 試件配合比及試驗項目分類Table 2 Mix proportion and type of samples

表3 試件平均含水率和平均干密度Table 3 Mean water content and mean dry density of samples

按表2配合比稱量素土、料姜石粉、熟石灰和水泥并攪拌均勻，參照美國ASTM有關水泥土規(guī)程及GB／T 50123—1999《土工試驗方法標準》，按測定的榆林素土最優(yōu)含水率10%～13%和干密度1.80g／cm3為標準夯筑立方體試件［2］，試模尺寸為100mm×100mm×100mm，由人工振搗成型，共計103件.

3 試驗方法及成果分析

3.1 化學組成及易溶鹽成分分析

榆林素土及料姜石化學成分依據(jù)GB／T 176—1996《水泥化學分析方法》進行測定；易溶鹽成分依照GB／T 50123—1999《土工試驗方法標準》進行分析，結果見表4，5.

表4 榆林素土及料姜石化學成分Table 4 Chemical compositions（by mass）of Yulin soil and liaojiang stone %

表5 榆林素土及料姜石易溶鹽成分Table 5 Components of soluble salt in Yulin soil and liaojiang stone mmol／kg

由表4可知，榆林素土主要成分為SiO2和Al2O3，說明榆林素土化學成分和一般黃土基本相同；料姜石主要成分為CaO，即料姜石主要成分和熟石灰相同；料姜石燒失量達到31.68%，說明料姜石中有機物含量較大，原體積穩(wěn)定性較素土差，應進行煅燒之后再使用.考慮到原有城墻土體中料姜石量少及未煅燒，本著修舊如舊的宗旨，認為在摻量較少的情況下料姜石可以未經(jīng)煅燒使用.

表5中榆林素土和料姜石的易溶鹽含量分別為0.170%和0.160%，差別較小，其中含量較大的為HCO－3.SY／T 0317—97《鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范》規(guī)定易溶鹽含量大于0.3%的土為鹽漬土，由此可知用于榆林衛(wèi)城加固的2種主要材料都不屬于鹽漬土范疇，可以不考慮榆林衛(wèi)城南城墻改性夯土的溶陷性和鹽脹性.

3.2 改性材料與土體作用機理分析

（1）水泥與土體作用機理：土體作為一種多項散布體，與水結合表現(xiàn)為膠體特征，其中SiO2與水形成硅酸膠體；水泥水化生成Ca（OH）2等膠凝離子，其比表面積比水泥顆粒大1 000倍之多，這些膠凝離子吸附大量土顆粒而形成大的團粒.Ca2＋，OH－滲透進入土顆粒內(nèi)部，與土體礦物發(fā)生物理化學反應，繼續(xù)生成膠凝物質，并且封閉了團粒之間的孔隙，從而形成較封閉的改性土體結構，即在很大程度上阻止了水分及無機鹽溶液進入改性土體內(nèi)部.但少量水泥對改性土體增強效果不佳，從經(jīng)濟利益出發(fā)，加入石灰及料姜石對土體強度更為有利.

（2）熟石灰與土體作用機理：石灰加入到含有黏粒的土體中，會使土體孔隙溶液中Ca2＋濃度大幅增加，由于Ca2＋具有較強的離子交換能力，因此Ca2＋可置換出黏土吸附的水合Na＋，此反應可用下式表示：

這個過程可降低土體顆粒的水膜層厚度，有利于土體顆粒形成較強的連結結構，促使土體凝聚作用力增加，使黏土微結構團?；?；另外，石灰溶解重結晶所形成的水化氫氧化鈣對改性土強度提高也有益，是石灰對土體早期膠結的主要形式.

（3）料姜石與土體作用機理：料姜石的主要成分是CaO，其含量達到48.27%之多，即料姜石和土體的作用機理大部分為石灰和土體作用機理，古人應用料姜石的目的在于其石灰成分；料姜石燒失量為31.68%，說明料姜石中所含有機物較多，其不與土體發(fā)生物理化學反應；塊狀料姜石主要成分為Ca－CO3，為堅硬塊體，很難在土體中分解并與土體發(fā)生反應；試驗使用粒徑小于3mm的料姜石中，少量粒徑較大的塊體可作為粗骨料，一些粒徑較小的土顆粒則可起到細骨料作用，少量水泥為膠凝材料，從而在土體空隙中形成少量類似混凝土的高強度團粒，起到一定的骨架作用，適當提高了土體強度.

3.3 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度（以下簡稱為強度）試驗以GB／T 50123—1999《土工試驗方法標準》為依據(jù)，自行設計安裝壓力設備進行.試驗原理是手動加壓，壓力傳感器測定壓力值及位移計測量位移并將數(shù)據(jù)傳導給JLFX100數(shù)據(jù)記錄儀，每隔0.1s進行1次數(shù)據(jù)采集，結果見表6（其中的含水率為試件自然風干3個月后測得，根據(jù)現(xiàn)場測試結果，現(xiàn)存土遺址的自然含水率與其相近）和圖1.

圖1 試件最大應力－應變曲線Fig.1 Max stress－strain curves of samples

試驗結果表明，試件強度與夯筑質量關系很大；分析圖1可得，不同配合比的各組試件其應力－應變曲線斜率基本相同.考慮干密度對試件強度的影響，可認為在摻和料較少的情況下，改性土強度qu與摻和料摻量呈線性關系，用下式表示：

式中：k為改性材料固化土系數(shù)；mC0為最低水泥摻量；mC為水泥摻量；mS，mL分別為熟石灰和料姜石摻量.由式（2）可知，在水泥摻量少于mC0時，水泥對改性土的強度無作用.此次試驗水泥摻量mC≤10%，對改性土體強度影響甚微，說明若mC0≥10%，則0%～10%水泥摻量不能改變改性土體強度.梁仁旺等［3］在水泥土力學性能試驗研究中提出，當水泥摻量低于15%時，qu與水泥摻量關系不大.

表6 抗壓試驗數(shù)據(jù)Table 6 Data of compressive test

由上可得，本次室內(nèi)試驗中，因試件夯筑條件及試件尺寸的影響，試驗結果顯示料姜石摻量5%～20%，熟石灰摻量5%～10%均對試件強度影響甚微.為此，筆者以上述料姜石及熟石灰摻量，進行了現(xiàn)場大體積試件強度試驗，發(fā)現(xiàn)摻入料姜石及熟石灰均可適度改善墻體強度.在古建筑修繕原則下可取5%的熟石灰和10%的料姜石來適度改善城墻的強度.

3.4 耐鹽腐蝕試驗

可溶鹽對城墻損害尤為常見，特別是土體中的Na2SO4［4］，它是常見的腐蝕鹽之一.本次試驗模擬城墻所處環(huán)境.將細沙置于容器中，待測試件下墊濾紙放于細沙上，注入預先配置好濃度為3%的硫酸鈉溶液和硅酸鈉溶液，使溶液液面略低于濾紙表面，并保證溶液能穿過濾紙上升到試件底部，試驗期間維持容器中液面高度基本不變.7d后停止加鹽溶液，開始觀察試件腐蝕現(xiàn)象，并于7d后將其從容器中取出，放置在潮濕的地方2個月，其腐蝕現(xiàn)象如圖2所示.

圖2 耐鹽侵蝕試驗Fig.2 Salt erosion resistance test

硫酸鹽對土體破壞分為兩方面：（1）鈣礬石膨脹破壞——硫酸根離子與摻和料中的水泥水化物及土體中的CaO·Al2O3及Ca（OH）2等反應生成鈣礬石，使其體積增大1.5倍之多；（2）石膏膨脹破壞——硫酸根離子與改性土體內(nèi)的石灰溶液Ca（OH）2反應生成白色石膏晶體，使其體積增大1.24倍，而對于古建筑修復原則而言，是不允許有大量白色晶體析出的.

改性材料中的水泥能在很大程度上減小土體孔隙率，封閉團粒之間的空隙，使得無機鹽溶液很難進入土體內(nèi)部，進而使得Na2SO4等無機鹽結晶體（Na2SO4·10H2O）膨脹的空間極大地縮小，結晶體之間無法相連，從而阻止了因結晶體形成的裂隙之間連通所導致的裂縫出現(xiàn)，保護了夯土土體的完整性，避免了土體結構不斷疏松.這樣的混合料極大地減小了無機鹽對土體侵蝕.

試驗現(xiàn)象表明，Na2SO4和Na2SiO4這兩種鹽對土體均有不同程度的腐蝕［5］，其中Na2SO4腐蝕較Na2SiO4更嚴重.這兩種鹽對改性土體的侵蝕隨著水泥摻量的增大而減小，10%水泥摻量的試件基本沒有受到侵蝕，但有大量白色晶體析出；5%水泥摻量試件所受到的侵蝕及析出的白色晶體都較少；只摻0%～10%料姜石和熟石灰對試件的耐鹽腐蝕性能影響不大.

3.5 凍融試驗

濕度低、溫差大是榆林地區(qū)氣候主要特點［6］，因而凍融作用對榆林城墻破壞較明顯，特定情況下可能成為主導破壞因素，因此有必要對加固后土體的抗凍融性能進行試驗.

試驗設備采用PT－2230凍融循環(huán)試驗機，參照榆林地區(qū)氣象資料，取其特征數(shù)據(jù)為依據(jù)，按6h模擬1個月的變化規(guī)律進行試驗.試驗溫度控制在－20～30℃，模擬完成1a的溫度變化過程即認為完成1次凍融循環(huán).

為研究含水率發(fā)生變化情況下土體所受到的破壞情況，先取編號為Ⅰ－6，Ⅱ－7，Ⅲ－11，Ⅳ－6，Ⅴ－7，Ⅵ－7，Ⅶ－4，Ⅷ－4，Ⅸ－3這9塊含水率較低的試件作為第1組進行凍融試驗；再取編號為Ⅰ－1，Ⅱ－2，Ⅲ－8，Ⅳ－10，Ⅴ－4，Ⅵ－4，Ⅶ－11，Ⅷ－7，Ⅸ－10這9塊試件作為另一組試件，將其分成5個批次進行試驗：第1次加水5%，第2次加水10%，第3次加水15%，第4次加水20%，第5次保持原態(tài)，然后觀察它們的凍融破壞情況.

凍融作用改變著土的結構性，對土力學性能而言，必須先區(qū)分原狀土和重塑土.對于原狀土，由于長時間的作用，顆粒之間已經(jīng)形成了足夠的作用，導致原狀土有較強的結構性，而凍融循環(huán)會破壞其原有結構，使其力學性能弱化.重塑土中的固結土在含水率很低的情況下，凍融作用所產(chǎn)生的冰晶對土體內(nèi)部的膨脹作用力很小，使得土顆粒之間黏聚力變化較小.凍融作用可使土體內(nèi)部大空隙所占比例減小，土顆粒之間的接觸點增加，從而導致其內(nèi)摩擦角增大［7］，即當含水率較小時，凍融作用對改性土體強度有益；當含水率較大時，冰晶作用變大使得土顆粒之間的黏聚力降低，雖然此時土體的內(nèi)摩擦角變大，但遠不及冰晶對土體的作用，從而導致土體結構弱化，隨著含水率的加大，試件從微觀到宏觀破壞，最后出現(xiàn)裂縫.

對于改性土體，水泥這種顆粒較小的膠凝材料摻入后會填充土體空隙，使得土空隙率變小，水分子較難進入土體，從而減小冰晶對土體的破壞作用.凍融試驗結果見圖3及表7.試驗結果表明，含水率較小的試件在凍融循環(huán)過程中表面完好，強度有所增大，說明對于含水率較低的改性土體，凍融不是其危害的主要因素；在含水率較大時，除含水泥試件（Ⅱ－2，Ⅲ－8，Ⅳ－10，Ⅵ－4，Ⅸ－10系列）外其他試件都有不同程度的裂縫出現(xiàn)（見圖3），說明凍融對改性土體的破壞會比較明顯，而摻5%～10%水泥可以很好地改善土體的抗凍融性，料姜石和熟石灰對其抗凍融也有一定作用.

圖3 凍融裂縫Fig.3 Crack after freezing－thawing test

表7 正常凍融循環(huán)記錄Table 7 Normal freezing－thawing cycle record

3.6 濕化試驗

耐水性能對于城墻加固保護也是一個重要技術指標.水流沿著土體孔隙滲入其內(nèi)部，破壞土體內(nèi)部結構，從而加劇土體的破壞［4］.本試驗將試件浸泡在水中，研究在靜水壓力作用下試件的耐水性能，如圖4所示.觀察記錄試件在水中破壞變化過程，測試其濕化速度及崩解狀態(tài)，以反映各試件的耐水性能.

圖4 浸水試驗Fig.4 Water immersion test

改性土的固化機理與深層攪拌法的固化機理類似，即通過水泥（石灰）的水化、凝固作用使得城墻夯土工程特性得以改善.本試驗中，摻入少量水泥即可很好地填充土體空隙，從而在很大程度上降低改性土體的空隙率，改善土體的耐水性能.試驗結果顯示，水泥摻量≥5%的試件在水中基本不崩解.

試驗表明，水泥摻量為5%～10%的改性土體其耐水能力有極大提高；只加料姜石對土體耐水性能作用甚微；5%～10%的熟石灰摻量對改性土體耐水性能有一定的作用，但影響較小.

3.7 沖刷試驗

參考程曄等［8］抗沖刷室內(nèi)模型設計圖，完成本次試件抵抗沖刷能力試驗.在相同壓強下沖以同量水后記錄試件表面變化情況，從而反映各試件抵抗雨水沖刷的能力.由于此次試驗試件制作較為困難，故本次試驗選用濕化試驗中比較典型的配合比（Ⅰ，Ⅵ，Ⅷ，Ⅸ系列）來制作100mm×100mm×300mm試件.

作用機理：改性夯土體通過料姜石和水泥（石灰）的水化作用使得其強度有適當?shù)奶岣?，在雨水沖擊力作用下表面受損較小，從而保護了土體內(nèi)部結構，使得雨水較難進入土體內(nèi)部，少量進入內(nèi)部的水分子作用機理等同于濕化試驗，從而很好地保護了夯土土體.

抗沖刷試驗結果見圖5（由左至右為Ⅷ，Ⅸ，Ⅵ，Ⅰ系列試件）.由圖5可見，與耐水試驗結果基本相同，系列Ⅰ和Ⅷ試件表面受損程度相當嚴重，而系列Ⅵ和Ⅸ試件則基本未受影響.說明在城墻加固的原則下加一定量的料姜石和熟石灰對土體抗雨水沖刷性能的影響較小，而加入5%～10%的水泥可極大地提高其抗沖刷能力.

圖5 抗沖刷試驗Fig.5 Rain wash resistance test

3.8 實踐結果

2012年7月27日榆林地區(qū)遇到了百年一遇的特大暴雨，經(jīng)調研得知應用改性夯土加固過的墻體完好無損，而該地區(qū)其他加固中的城墻都有不同程度的受損.實踐證明本次試驗較符合實際情況.由于榆林城墻為國家文物保護單位，修復好的城墻不允許進行人為再次破壞，無法進行試樣挖取，從而無法得到實測數(shù)據(jù)，只能用表觀現(xiàn)象來說明實踐檢驗結果.

4 結論

（1）兼顧遺址維修的基本原則及滿足耐候性、耐鹽腐蝕、耐水性能和抗雨水沖刷性、抗凍融等耐久性要求，榆林衛(wèi)城南城墻改性土體?、粝盗信浜媳龋?0%土、5%熟石灰、10%料姜石、5%水泥）較為適宜.

（2）夯土城墻中料姜石的作用不及水泥和熟石灰，而原有城墻里含有此類物質，推測是為了起到熟石灰的作用而加入的.

（3）以上加固保護材料配置是在修復古城墻遺址的基礎上得出的，由于國內(nèi)外對修復古城墻遺址的研究較少，因而只能用實踐證明改性土起到了保護的作用.然而對古建筑的加固保護，還需在修舊如舊、可識別、可拆除等原則方面做更深入的研究.

［1］ 毛筱霏，趙東，陳平，等.干旱地區(qū)土建筑遺址加固保護試驗［J］.巖土力學與工程學報，2008，27（S1）：3127－3131.MAO Xiaofei，ZHAO Dong，CHEN Ping，et al.Reinforced protection test of soil construction site in arid region［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（S1）：3127－3131.（in Chinese）

［2］ 李建軍，梁仁旺.水泥土強度和變形模量試驗研究［J］.巖土力學，2009，30（2）：473－477.LI Jianjun，LIANG Renwang.Research on compression strength and modulus of deformation of cemented soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（2）：473－477.（in Chinese）

［3］ 梁仁旺，張明，白曉紅.水泥土的力學性能試驗研究［J］.巖土力學，2001，22（2）：221－213.LIANG Renwang，ZHANG Ming，BAI Xiaohong.Analysis of laboratory test results of cemented soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2001，22（2）：221－213.（in Chinese）

［4］ 趙勝杰.高昌故城土遺址病害分析及化學保護研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2008.ZHAO Shengjie.Disease analysis and protection research of Gaochang old city soil cite［D］.Xi'an：Xi'an University of Architecture and Technology，2008.（in Chinese）

［5］ 張光輝.土遺址加固保護研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2006.ZHANG Guanghui.Reinforced and protection research of soil site［D］.Xi'an：Xi'an University of Architecture and Technology，2006.（in Chinese）

［6］ 陳平，張光輝.榆林明長城遺址保護加固室內(nèi)試驗研究［J］.工程抗震與加固改造，2007，29（3）：30－34.CHEN Ping，ZHANG Guanghui.Protection and reinforced test research of Yulin Ming dynasty city wall［J］.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting，2007，29（3）：30－34.（in Chinese）

［7］ 齊吉琳，馬巍.凍融作用對超固結土強度的影響［J］.巖土工程學報，2006，28（12）：2082－2086.QI Jilin，MA Wei.Influence of freezing－thawing on strength of over consolidated soils［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（12）：2082－2086.（in Chinese）

［8］ 程曄，方靚，趙俊鋒，等.高速公路邊坡CF網(wǎng)防護抗沖刷室內(nèi)模型試驗研究［J］.巖土力學與工程學報，2010，29（S1）：2935－2942.CHENG Ye，F(xiàn)ANG Liang，ZHAO Junfeng，et al.In door scour model test of expressway slope ecology protection using coconut fiber nets［J］.Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（S1）：2935－2942.（in Chinese）