岳磊, 王捷,3,4, 張小兵,3,4, 王逢睿,3,4, 周杰,3, 王瑞林

(1. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司, 蘭州 730000; 2. 國家文物局石窟保護技術(shù)重點科研基地, 蘭州 730000; 3. 甘肅省巖土文物保護工程技術(shù)研究中心, 蘭州 730000; 4. 甘肅省敦煌文物保護研究中心, 酒泉 736200)

金沙遺址是四川商周時期的文化遺址,屬十二橋文化階段,該遺址發(fā)掘的大量石器、骨器、陶器和玉器等文物,反映了當(dāng)時人們的生產(chǎn)、生活、信仰、文化等方面的情況[1]。此外,成都金沙遺址的發(fā)掘不僅為商代晚期至西周的文化、生活、考古學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了豐富的實物資料和重要的史料,還為研究古蜀文化人類的文化水平有更深入的認(rèn)識,對于推動相關(guān)領(lǐng)域的研究具有重要意義[2]。

金沙遺址的祭祀?yún)^(qū)在經(jīng)過考古發(fā)掘和清理之后,遺址本體的保護措施還未得到有效的實施,卸荷裂隙便在遺址本體大量出現(xiàn),這些裂隙豎向通過若干土層形成貫通裂縫,影響了遺址整體的穩(wěn)定性。此外,由于展廳和地鐵的建設(shè),金沙土遺址賦存環(huán)境的變化,導(dǎo)致了土體表面的病害問題進(jìn)一步的惡化,裂隙病害問題也愈發(fā)嚴(yán)重[3]。因此,對祭祀?yún)^(qū)土遺址裂隙進(jìn)行灌漿加固變得至關(guān)重要,使其得以長久保存。

眾多學(xué)者已經(jīng)對文物保護中灌漿材料的應(yīng)用進(jìn)行研究。通過在宋代夏官營古城和紅沙堡遺址進(jìn)行試驗,使用燒料礓石作為灌漿基料,成功研究了其在土壤裂隙治理中的應(yīng)用,為土遺址保護加固工程提供了可靠的依據(jù)[4-5]。通過正交試驗研究發(fā)現(xiàn),以糯米漿和燒料礓石為主要材料,調(diào)整不同參數(shù),可提高土遺址裂隙加固注漿材料的力學(xué)性能[6]。通過對臨潭縣牛頭城古遺址城墻維修工程的現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗,確定了低摻量燒料礓石夯筑加固能有效抑制塑性應(yīng)變區(qū)域發(fā)展,提高了遺址土城墻的穩(wěn)定安全系數(shù)[7]。在潮濕環(huán)境下,為了選出適宜于土遺址裂隙的注漿材料,對四處“海上絲綢之路”窯址點的遺址土進(jìn)行了研究,包括燒料礓石、燒阿嘎土和礪灰三種傳統(tǒng)石灰材料,結(jié)果也表明燒料礓石可應(yīng)用于窯址點的裂隙注漿[8]。SH(改性聚乙烯醇)作為有機高分子固化材料,展現(xiàn)了優(yōu)異的耐久性能,不但在固沙領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,而且在土遺址裂隙注漿中也具有顯著效果[9-10]。研究發(fā)現(xiàn),SH-(CaO+F+C)漿液在土遺址裂隙修復(fù)中能顯著抑制漿-土界面干縮分異,通過調(diào)整漿液配比,可實現(xiàn)在土遺址修復(fù)中同時實現(xiàn)漿液可灌性與加固效果的統(tǒng)一[11-12]。通過對定遠(yuǎn)營遺址的研究,分析宏觀和微觀層面的病害及穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)城墻隨著含水率的增加,會存在失穩(wěn)的危險[13]。為增強土體的強度、耐水性和結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性,采用原材料均為無機物的礦物聚合物作為土遺址裂隙的灌漿材料,研究結(jié)果表明,該材料不僅改善了土體的礦物組成和顆粒間的膠結(jié)形態(tài),還提高了其力學(xué)性能和耐久性[14-15]。這些研究成果有助于推動中國土遺址保護的進(jìn)一步發(fā)展,不過有關(guān)西南潮濕地區(qū)土遺址裂隙灌漿加固材料的研究尚未開展。

根據(jù)文物保護的原則及實際需求,選擇了燒料礓石材料、SH材料、無機礦物聚合物材料,對金沙遺址試驗土進(jìn)行改性,探究各種組合灌漿材料的基本物理性能、力學(xué)性能及耐久性能。比選出適宜金沙遺址祭祀?yún)^(qū)土體裂隙充填的灌漿材料,相關(guān)研究成果可為西南潮濕地區(qū)土遺址科學(xué)保護提供技術(shù)支持。

1 試驗方案

1.1 試驗材料及試樣制備

試驗采用的燒料礓石(LJS)取自國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心中試基地。SH為改性聚乙烯醇,取自蘭州大學(xué),F為粉煤灰,CaO為氧化鈣。無機礦物聚合物加固配方為超細(xì)礦粉、煅燒偏高嶺土和Ca(OH)2,以及膨脹組分CSA(硫鋁酸鈣膠結(jié)料)、CFR(抗裂快凝快硬高貝利特硫鋁酸鹽水泥)無機土體加固劑取自河北。減水劑為聚羧酸減水劑。遺址試驗土C取自金沙遺址館附近的土層,取樣深度1.8～2.2 m,基本物理性質(zhì)見表1。試驗用水為實驗室自來水。

表1 試驗土物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of test soil

對于SH材料體系,參考前人的配比C∶F=1∶1(質(zhì)量比),SH濃度用1.6%,CaO作為變量[11]。對于無機礦物聚合物體系,配比為26%、32%、32%、10%。結(jié)石體的強度稍大于遺址本體,是為了滿足力學(xué)強度的兼容性,考慮到遺址本體力學(xué)強度不均,每個體系灌漿材料分別設(shè)定三種不同摻量的配比見表2。

表2 漿液材料配合比及收縮率Table 2 The mix proportion and shrinkage of slurry materials

通過預(yù)試驗選擇了合適的水灰比,以滿足土遺址裂隙灌漿的施工工藝要求,并制備了規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的結(jié)石體試樣。為了進(jìn)行齡期養(yǎng)護,并且考慮到溫濕度差異對試樣的影響,將制備好的試樣有序地擺放在實驗室專用的試樣架上。鑒于實驗室在夏天和冬天的溫濕度差異較大,為了減少養(yǎng)護條件對試樣的影響,所有試樣均在11月前后分批次制備后進(jìn)行養(yǎng)護,試樣制備和養(yǎng)護如圖1所示。

圖1 試樣制備及養(yǎng)護Fig.1 sample preparation and curing condition

1.2 結(jié)石體物理性能測試

對巖土文物裂隙灌漿材料性能的評價主要考查漿體齡期強度以及環(huán)境介質(zhì)對其物理力學(xué)性質(zhì)的影響,通過參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行物理和力學(xué)性能的測試。

對不同組合的漿液結(jié)石體,進(jìn)行養(yǎng)護齡期7、14、28 d的物理性能測試,如圖2所示。采用直接測量法進(jìn)行收縮性測試,用游標(biāo)卡尺等測量工具對被測物體直接進(jìn)行測量,結(jié)果取3次平行測試的平均值。采用電子天平進(jìn)行不同齡期試樣的重量測試,通過對比不同齡期不同試樣的重量變化,可以觀察試樣的穩(wěn)定性,同一組變量試樣取3個測試,結(jié)果取平均值。采用RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測儀對不同養(yǎng)護齡期的超聲波速值進(jìn)行測試,可以展示試樣內(nèi)部的致密程度,間接表明試樣的水化硬化的程度。采用NR20XE型大口徑色差儀進(jìn)行色差測試,測試灌漿材料加固遺址后能否保持原貌。

圖2 試樣收縮率和密度隨齡期變化曲線Fig.2 Curves of shrinkage and density change with ages

1.3 結(jié)石體齡期強度測試

灌漿的主要目的是填充并加固遺址體的裂隙,漿液結(jié)石體的單軸抗折強度和抗壓強度是評估其性能的重要指標(biāo),這些指標(biāo)不僅能直觀展現(xiàn)固化試樣的抵抗變形能力,還能間接展現(xiàn)試樣的密實度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特性。采用WANCE電子萬能試驗機進(jìn)行抗折和抗壓強度測試,對養(yǎng)護7、14、28、56 d的結(jié)石體進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)性能測試。

1.4 結(jié)石體耐久性測試

將對養(yǎng)護28 d齡期的試樣進(jìn)行三種循環(huán)試驗:干濕循環(huán)試驗、耐堿循環(huán)試驗和耐鹽循環(huán)試驗。各組試驗均選擇三個平行樣進(jìn)行測試,用其平均值為試驗結(jié)果。

(1)干濕循環(huán)試驗:先將標(biāo)養(yǎng)28 d的試樣放置于恒溫恒濕箱中,溫度設(shè)置為100 ℃,保持12 h。然后,將試驗箱溫度降至25 ℃,相對濕度調(diào)整至90%,在此條件下放置12 h。重復(fù)進(jìn)行上述18個周期循環(huán)后,進(jìn)行強度試驗。

(2)耐堿循環(huán)試驗:在養(yǎng)護28 d的標(biāo)準(zhǔn)試樣上噴灑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的氫氧化鈉溶液,并密封養(yǎng)護12 h。隨后,將試樣放入烘箱中,溫度設(shè)置為80 ℃,烘烤4 h。重復(fù)進(jìn)行上述5個周期循環(huán)后,進(jìn)行強度試驗。

(3)耐鹽循環(huán)試驗:將養(yǎng)護28 d的標(biāo)準(zhǔn)試樣噴涂上飽和硫酸鈉溶液,并密封養(yǎng)護20 h。隨后,將試樣放入烘箱中,溫度設(shè)置為80 ℃,烘烤4 h。重復(fù)進(jìn)行上述5個周期循環(huán)后,進(jìn)行強度測試。

2 物理力學(xué)性能測試結(jié)果與分析

2.1 結(jié)石體收縮率

由圖2中的試樣收縮率隨齡期變化曲線圖,可以發(fā)現(xiàn)隨著齡期的增加,試樣的收縮曲線基本在7 d齡期逐漸變緩,并且在養(yǎng)護20 d時基本保持穩(wěn)定狀態(tài),這說明結(jié)石體的性質(zhì)是隨時間推移而發(fā)生變化的。另外,通過對不同類型的結(jié)石體的收縮率進(jìn)行比較,能更深入地了解它們之間的差異。對于LJS系列試樣28 d養(yǎng)護齡期的收縮率為2.23%左右;對于SH試樣,由于添加了氧化鈣具有膨脹作用,因此該系列試樣的收縮率減小至1.35%左右;對于CSA和CFR系列試樣由于添加了膨脹組分無機土體加固劑,在不同齡期下的收縮率都較低,其收縮率僅為0.8%左右,這些差異可能與結(jié)石體的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

通過對試樣不同齡期收縮率進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)結(jié)石體的性質(zhì)和收縮率會受到多種因素的影響,包括養(yǎng)護齡期和改性材料配比等。在實際應(yīng)用過程中,需要根據(jù)具體情況來選擇最合適的灌漿材料類型,以確保其穩(wěn)定性和可靠性。對于金沙土遺址,宜采用的無機礦物聚合物灌漿材料,其低收縮性可以有效填充裂隙,從而增強土遺址體的整體性能。

2.2 密度變化

通過圖2中試樣不同齡期密度變化曲線可知,所有試樣的密度變化曲線都呈三個階段的下降趨勢,即試樣在養(yǎng)護初期急速下降,中期緩慢下降,后期基本維持穩(wěn)定不再變化,試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,導(dǎo)致其密度減小。其中,LJS系列的試樣密度變化幅度最大,在齡期28 d時,其密度下降到1.10 g/cm3,同時印證了其較大的收縮性。在養(yǎng)護齡期18 d時,所有結(jié)石體試樣的密度基本穩(wěn)定,但其值均小于金沙試驗土的干密度1.61 g/cm3,可避免在土遺址內(nèi)部生成附加應(yīng)力,減少二次破壞風(fēng)險。此外,在所有試樣中,CSA和CFR系列的密度普遍高于其他兩種系列且波動較小,這說明CSA和CFR系列的試樣可能具有更好的穩(wěn)定性以及更高的抗壓性能。可知對于金沙土遺址,宜選擇無機礦物聚合物灌漿材料,試樣內(nèi)部生成了豐富的膠凝材料填充孔隙,具有更加致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu),有利于遺址土的穩(wěn)定。

2.3 聲波測試

圖3為不同試樣在不同養(yǎng)護齡期的波速變化,由圖可知,在養(yǎng)護初期所有試樣的波速基本一致,隨著齡期的增加,試樣水化反應(yīng)和碳化反應(yīng)使得結(jié)石體逐漸致密,波速均呈現(xiàn)出上升趨勢,這表明試樣的硬度和強度隨著時間的推移而不斷增強。其次,在同一時間段內(nèi),CFR系列和CSA系列的波速普遍較高,而LJS系列和SH系列的波速相對較低,不同試樣的波速增長速度存在差異。在養(yǎng)護28 d時,CFR-30的波速增長最快,為1 643 m/s,而LJS-10的波速增長最慢,為910 m/s,這與不同試樣的材料和配比以及制備工藝有關(guān)。此外,同一試樣在不同養(yǎng)護時間下的波速增長速度也存在差異,對于CFR-20試樣,其在14 d和28 d時的波速增長速度分別為617 m/s和163 m/s,說明波速增長速度隨著時間的推移而逐漸減緩。根據(jù)不同試樣的波速數(shù)據(jù),可以對結(jié)石體試樣的質(zhì)量進(jìn)行評估,波速越高,說明結(jié)石體試樣的硬度和強度越高,質(zhì)量越好。由不同試樣的波速值可知,經(jīng)過28 d的養(yǎng)護后,CFR復(fù)合灌漿材料具有較高的波速值,表明此系列試樣內(nèi)部生成了許多的膠凝填充了孔隙,具有非常致密的結(jié)構(gòu)。

圖3 試樣波速隨齡期變化Fig.3 Wave velocity changed with ages

2.4 色差值

根據(jù)圖4所示,在養(yǎng)護28 d后,對比遺址土,不同試樣的色差值進(jìn)行了評估。色差值ΔE的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下:ΔE≤3表示產(chǎn)生很輕微的變色,3<ΔE≤5表示產(chǎn)生輕微變色,ΔE>5表示產(chǎn)生明顯變色。由圖4可知,LJS試樣、CFR復(fù)合試樣和CSA復(fù)合試樣的所有試樣均發(fā)生了輕微變色,其中色差值最大的為CSA-30試樣,其值為4.9,表明摻量過多會改變遺址土的原色。SH復(fù)合試樣均只發(fā)生了很輕微的變色,由于SH材料是一種透明的膠體材料,所有對遺址土的原色影響不大。根據(jù)色差等級的劃分標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)色差值ΔE*≤5時,色度變化肉眼不可明顯分辨。由于試驗采用遺址試驗土作為注漿材料的主材,因此結(jié)石體與土遺址本體的色差不明顯,具有高度兼容性。

圖4 試樣色差值隨齡期變化Fig.4 Color difference value changed with ages

2.5 齡期強度

圖5所示為在7、14、28、56 d齡期下,不同灌漿材料結(jié)石體的齡期強度。圖5(a)中可見,隨齡期增長,抗折強度逐漸提升,歸因于材料形成更穩(wěn)定緊密的結(jié)構(gòu)。此外,相同齡期下不同材料間抗折強度差異顯著,反映出各材料物理和化學(xué)性質(zhì)的差異。其中,LJS灌漿材料整體抗折強度較低,但隨齡期增長而上升;尤其在28、56 d時,LJS-20已達(dá)0.5 MPa。SH灌漿材料相較LJS稍高,在7 d時SH-20即超過0.1 MPa,但增長速度較慢,至56 d僅SH-15及SH-20達(dá)到約0.42 MPa。CFR灌漿材料在7天時表現(xiàn)突出,特別是CFR-30達(dá)到0.18 MPa,且隨齡期增長至56 d時超過0.8 MPa,遠(yuǎn)超其他材料為最佳表現(xiàn)。CSA灌漿材料在7 d時亦有優(yōu)秀抗折強度,但較長齡期時提升有限;28 d時CSA-30僅為0.46 MPa,低于CFR-30。

圖5 試樣抗折和抗壓強度隨齡期變化Fig.5 Flexural and compressive strength changed with ages

圖5(b)所示為不同齡期下各灌漿材料抗壓強度。數(shù)據(jù)顯示,隨齡期增加,所有材料抗壓強度逐漸上升。LJS材料抗壓強度整體穩(wěn)定但較低,56 d時LJS-20僅為1.33 MPa,而7 d時達(dá)到了0.72 MPa。SH材料抗壓強度更低,56 d時SH-20僅為1.12 MPa,14 d時僅為0.45 MPa。CFR材料抗壓強度表現(xiàn)優(yōu)異且整體居中高水平,CFR-30試樣從7 d至28 d抗壓強度增長約165%,至56 d時達(dá)3.55 MPa,早期突出表現(xiàn)得益于其快硬早強特性。CSA材料抗壓強度亦好且始終保持高水平,在56 d時CSA-30達(dá)2.35 MPa,雖在短齡期無顯著優(yōu)勢,但隨時間推移強度不斷提升。

由上述齡期強度可知,不同材料在不同齡期下抗折、抗壓強度有顯著差異。對比各種改性土灌漿材料齡期強度可得:CFR試樣>CSA試樣>LJS試樣>SH試樣,表明無機土加固劑改性的遺址土灌漿材料具有更優(yōu)抗折、抗壓強度。

3 耐久性能測試結(jié)果與分析

3.1 干濕循環(huán)試驗

通過對比不同類型試樣耐久性能循環(huán)試驗的抗折與抗壓強度匯總數(shù)據(jù)(表3)及干濕循環(huán)強度變化(圖6),發(fā)現(xiàn)所有試樣在耐久性循環(huán)試驗前后均存在顯著差異。LJS和SH系列試樣的未劣化抗折強度與抗壓強度明顯低于其他試樣,而CFR和CSA試樣則表現(xiàn)出較高的強度,這可歸因于各試樣的材料組成與制備方法不同。分析結(jié)果顯示隨著試樣摻量的增加,其干濕循環(huán)后的抗折和抗壓強度降低幅度逐漸減小,表明經(jīng)過多次干濕循環(huán)后,高摻量試樣相對穩(wěn)定性更高。其中,CFR-30的未劣化抗折強度與干濕循環(huán)抗折強度均顯著高于CFR-10和CFR-20試樣,表明摻量等因素對試樣強度及穩(wěn)定性具有顯著影響。

圖6 干濕循環(huán)試驗前后抗壓、抗折強度變化Fig.6 Changes of compressive/flexural strength before and after circulation of temperature and humidity

表3 耐久性能循環(huán)試驗的抗折、抗壓強度值Table 3 Flexural and compressive strength values of durability cycle test

其次,所有試樣的干濕循環(huán)抗折強度與抗壓強度相較于未劣化抗折強度與抗壓強度均呈現(xiàn)降低趨勢,這可能因為濕度環(huán)境下,水分滲透至材料內(nèi)部,導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)改變,影響強度表現(xiàn)。其中,LJS-10和SH-10的抗折與抗壓強度降幅較大,表明試樣對濕度及其變化敏感;相比之下,CFR-30的抗折與抗壓強度降幅最小,說明該試樣在干濕循環(huán)環(huán)境下具有更穩(wěn)定的強度表現(xiàn)?？傮w來看在干濕循環(huán)環(huán)境下,CFR無機土體加固劑能顯著提高遺址土的耐久性,尤其是CFR-30試樣在干濕循環(huán)試驗中表現(xiàn)出較好的抗折與抗壓強度。

3.2 耐堿循環(huán)

耐堿循環(huán)抗折強度與抗壓強度均為衡量材料耐久性的重要指標(biāo),圖7為耐堿循環(huán)試驗強度變化圖。通過對比分析觀察到未劣化時,隨著摻量增加,試樣強度逐漸提高,在不同類型灌漿試樣中,CFR類試樣在未劣化強度方面表現(xiàn)尤為優(yōu)異,尤其在較高摻量條件下,其優(yōu)越性更為顯著。從耐堿循環(huán)性能角度分析,試樣的抗堿能力整體上呈現(xiàn)出類似于未劣化的趨勢,然而數(shù)值相對較低。通過比較不同類型試樣的耐堿循環(huán)特性,CFR復(fù)合灌漿材料在抗折強度上分別下降了33.33%、11.76%、12.70%,抗壓強度則分別降低了27.42%、9.92%、17.54%。對比其他種類試樣分析可知,CFR類試樣展現(xiàn)出相對較強的抗堿能力。經(jīng)耐堿周期循環(huán)試驗后,所有試樣強度均有所下降,表明NaOH對遺址土具有一定破壞力。其中CFR類試樣的強度減少幅度最小,表明添加CFR無機土體加固劑能在較大程度上提高遺址土的抗堿能力。

圖7 耐堿循環(huán)試驗前后抗壓、抗折強度變化Fig.7 Changes of compressive / flexural strength before and after circulation of alkali resistance test

試樣經(jīng)耐堿循環(huán)性能下降主要歸因于試樣內(nèi)部膠凝材料發(fā)生碳化和晶體膨脹。NaOH破壞遺址土的過程涵蓋物理作用與化學(xué)作用,在結(jié)石體試樣內(nèi)部,NaOH會與水和空氣中的CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在此過程產(chǎn)生的膨脹壓力會作用在土體表面,導(dǎo)致土體破裂。同時,NaOH還會與土壤中的游離態(tài)Al2O3、SiO2和鋁硅酸鹽等物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)溶蝕,導(dǎo)致土顆粒失重解體,孔隙擴大,從而降低了試樣的力學(xué)強度[10]。

3.3 耐鹽循環(huán)

圖8為耐鹽循環(huán)試驗前后試樣外觀形貌變化,由圖可知試樣經(jīng)過耐鹽循環(huán)試驗后出現(xiàn)了鹽脹現(xiàn)象,并且能在試樣表面看到有白色的鹽分從試樣內(nèi)部析出;試樣經(jīng)過耐鹽循環(huán)后,可以明顯看到試樣已經(jīng)從內(nèi)部破壞,并且表層土已經(jīng)脫落。試樣在飽和硫酸鈉溶液的浸潤下,孔隙內(nèi)的Na2SO4·10H2O晶體會經(jīng)歷重復(fù)的潮解和析出過程,這一過程會對內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損害,進(jìn)而使試樣的強度降低[16]。表明硫酸鈉對土遺址具有劣化效應(yīng)。

圖8 耐鹽循環(huán)試驗試樣外觀變化Fig.8 The appearance of samples before and after circulation of salt resistance test

通過對試樣耐鹽循環(huán)前后強度的對比分析(圖9),對LJS、SH、CFR和CSA四種復(fù)合灌漿材料的抗折強度和抗壓強度進(jìn)行了評估。結(jié)果顯示,LJS系列試樣在耐鹽循環(huán)試驗中表現(xiàn)出較差的性能,其抗折強度和抗壓強度均顯著下降。經(jīng)過耐鹽循環(huán)試驗,LJS試樣已發(fā)生破壞和折斷,無法測量其強度,這表明Na2SO4鹽對遺址土具有極強的破壞力。主要原因是由于Na2SO4與水反應(yīng)生成芒硝,經(jīng)過硫酸鈉溶液的浸潤會導(dǎo)致體積約增大3倍,產(chǎn)生對土體內(nèi)部孔隙的壓力,從而破壞土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在干燥環(huán)境下,芒硝又失水轉(zhuǎn)化為無水Na2SO4體積減小。這種相互轉(zhuǎn)化過程導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在鹽脹力作用下受到破壞,經(jīng)過循環(huán)試驗后試樣強度降低甚至破壞[10]。

圖9 耐鹽循環(huán)試驗前后抗壓、抗折強度變化Fig.9 Changes of compressive/flexural strength before and after circulation of salt resistance test

此外,CFR/CSA無機礦物聚合物復(fù)合灌漿材料在各組試樣中表現(xiàn)出較好的耐鹽性能,其力學(xué)強度僅有相對較小幅度的下降。通過對比不同試樣的強度,發(fā)現(xiàn)添加CFR無機土體加固劑系列的試樣仍保持有1 MPa以上的抗壓強度,表明其可提高遺址土的耐鹽能力。

3.4 微細(xì)觀分析

通過SEM觀察漿體材料和結(jié)石體的微細(xì)觀結(jié)構(gòu),進(jìn)一步明確CFR無機礦物聚合物灌漿材料的微觀作用。由圖10(a)可以明顯的觀察到大量微纖維結(jié)構(gòu)相互搭接,具有成簇的特征,形成了大量的凝膠結(jié)構(gòu);EDS能譜結(jié)果表明,在氫氧化鈣環(huán)境中,偏高嶺土中的活性成分Si、Al與Ca(OH)2發(fā)生硬凝反應(yīng),生成了大量無定型的凝膠物質(zhì)。由圖10(b)可以明顯看到遺址土的層狀結(jié)構(gòu),其主要礦物石英和長石在結(jié)石體中起骨架作用,并且在層狀結(jié)構(gòu)的表面和孔隙之間,存在著許多鈣質(zhì)膠結(jié)物質(zhì),增強了土顆粒之間膠結(jié)力,從而提高了結(jié)石體的力學(xué)性能和耐久性能。因此,從結(jié)構(gòu)和成分上來看,無機礦物聚合物灌漿材料與遺址土本體具有優(yōu)異的兼容性,可優(yōu)選作為金沙土遺址裂隙的注漿材料。

4 結(jié)論

選擇了三種不同的灌漿材料組合:燒料礓石材料、SH材料和無機礦物聚合物材料,并將其與金沙遺址土進(jìn)行配伍,進(jìn)而探究了其各項性能,得到如下結(jié)論:

(1)摻入CFR/CSA的無機礦物聚合物灌漿材料,經(jīng)28 d齡期養(yǎng)護,收縮率最小僅為0.8%;其密度小于金沙試驗土的干密度,避免在土遺址內(nèi)部生成附加應(yīng)力,減少二次破壞風(fēng)險;較高的波速變化值,表明其具有更好的穩(wěn)定性和更高的強度。

(2)所有試樣的色差值ΔE*≤5,表明結(jié)石體的顏色與土遺址本體高度兼容,未對遺址土的外觀顏色產(chǎn)生較大的影響。幾種灌漿材料通過摻入適量的劑量,可有效地應(yīng)用于土遺址裂隙的修復(fù)。

(3)各組試樣在不同養(yǎng)護齡期的強度均有顯著提升,其中CFR-30試樣在28 d齡期表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能,其抗折、抗壓強度分別為0.63、2.28 MPa,為所有試樣中最高。對比不同改性土灌漿材料的抗折/抗壓強度,發(fā)現(xiàn)無機土加固劑改性的遺址土灌漿材料具有更佳的強度,強度順序為:CFR試樣>CSA試樣>LJS試樣>SH試樣。

(4)對養(yǎng)護28 d的各組試樣進(jìn)行耐久性循環(huán)試驗后,添加CFR的無機礦物聚合物灌漿材料在干濕循環(huán)、耐堿能力和耐鹽能力方面均有較大程度的提高。由于無機土體加固劑的低堿性特性,使得無機礦物聚合物灌漿材料中堿度較低,幾乎無可溶鹽,從而提高了試樣的耐久性。