某古城城墙加固材料性能研究

某古城城墙加固材料性能研究土遗址是指以土为主要构成材料的古文化遗迹。土作为自然界中分布广泛的天然材料，容易接触获得，因而在人类早期活动中使用较为普遍。土是由固相，液相，气相组成三相体系，不同土的三相组成不一，因而在土的轻重，松密，干湿，软硬等一系列物理性质和状态上有不同的反应，这些物理特性又在一定程度上决定了它的力学特性和工程特性。由于处于自然环境中难以保存，土遗址大多处于病害状态。土遗址的病害有风化，干裂，垮塌，生物生长等；导致土遗址病害的原因也各种各样，气候变化，生物生长，土遗址所赋存地质环境中水环境的影响。所以了解病害成因分析病害机理进而采取有效措施对其进行加固处理能够更加有效的保护土遗址。考虑到某古城遗址的病害类型以及自然人为因素对其影，采取化学保护加固方法。化学加固是采用各种材料对土体进行渗透加固以提高防雨蚀能力。对各种加固材料进行筛选，选择最为有效的加固材料，对其加固性能进行分析。某古城遗址概况以及存在病害2.1某古城遗址概况2.1.1某古城的历史和组成 某古城自创建以来，在春秋至宋代的1450余年间，特别是隋唐五代时期一直是我国北方的军事、政治、经济重镇。某建于距今2500余年的春秋中晚期(前497年)，曾经是战国时期赵国的都城、南北朝时期北齐的别都、隋唐五代时期的“北京”，并与东京洛阳、西京长安并为盛唐三大都城。某古城遗址由城池遗址、宗教祭祀遗址、墓葬遗址三部分组成。2.2某古城遗址价值评估某城作为中国北部重要的政治、经济和军事中心之一，在中国历史的进程中具有显著的作用，是中原王朝安危所系的战略屏障，为中华民族多元文化的融合做出了重要贡献。某古城从建成伊始沿用了1500余年，是城市格局较为完整、文化遗存埋藏较为丰富的古代城市遗址。2.2.1遗产历史价值军事上的地理交通扼守价值：由于其得天独厚地理区位，某古城是我国历史上具有重要战略地位的城市；史书称之：“府控带山、河，踞天下之肩背，为河东之根本，诚古今必争之地也”。从地理位置的视角看，山西的大地形：“山西西、南均距太行，北控朔漠，屹为神京右臂”。“某古城襟四塞之要冲，控五原之都邑”。我国历史上如周、秦、汉、隋、唐、北宋等王朝的京畿重地却无一远离山西周围，山西省的首郡某则始终居于中央的肘腋地位，一向处于与京畿相表里相依托，一直处于“京师安危之所系”的重要战略地位。政治上的区域控制价值：战国时期，某是赵国的初都；秦汉时期，它是抵御匈奴的主要战略基地；南北朝时期，北齐高氏长驻某；隋唐时期，某古城是仅次于长安、洛阳“天王三京”之“北京”，“安史之乱”也是以山西为根据地而得以平息；五代时期的开国君主，多是凭借山西的战略优势，以“地险粟多”的某为基地，发展为军事割据势力；北统一战争中，某又是北汉政权最后被消灭的堡垒。综观某古城的历史发展，凡国内统一发展时期，它便是中原王朝的北边巨藩；当中原分裂动荡之际，某古城又成为兵家必争、强藩割据的重镇。文化上的民族交融价值：“山西作为不同文化交流的大通道，古人通过汾河这个南北向的天然通道，不断地交流互动”。魏晋南北朝时期十六国内徙的五个主体民族，有三个民族即匈奴、羯、鲜卑主要活动在山西，某古城位于该地区的交通廊道的重镇所在。2.2.2遗产艺术价值根据某古城周边1979年发掘的王郭村北齐娄睿墓、1988年发掘的金胜村春秋大墓赵简子墓、1999年发掘的王郭村隋虞弘墓、2002年发掘的王家峰北齐徐显秀墓均可反映出某古城曾经较高的的艺术价值，但由于某古城遗址现阶段的出土器物有限，有待考古工作进一步深入，揭示其艺术价值。2.3某古城遗址西城墙现状调查2.3.1遗址区地质环境地形地貌：某古城遗址所在地即位于西山风峪沙河出山口前的冲积扇上，属山前冲积平原，地形西高东低，地势平缓，海拔高度815763m。地层岩性：西山地区出露地层较为古老，有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、上第三系和第四系。某古城遗址所在地基岩为第四系全新统汾河组亚砂土、亚粘土地层，新生界底板深度大于1200m。水文地质条件某古城遗址就坐落在汾河西岸，西山风峪沙河出山口前的冲积平原之上，受河流冲刷作用明显。某古城遗址周边地下水深度在12m左右，其主要补给源为大气降水与人工灌溉水下渗。由于地下水埋深深度较大，不对场地建筑物构成威胁。某古城遗址区内地势西高东低，钻探资料显示，文化层埋藏深度随着地势自西向东逐渐加深。依据文化层埋藏现象，大致以新晋祠路为界，分为东西两个区域。靠近西城墙处埋藏最浅，耕土层下即见文化层，距地表约0.3m，到新晋祠路附近文化层距地表约3m，新晋祠路以东文化层埋藏在地表37m以下，个别文化层埋藏在地表10m以下。西城墙遗址北端位于大运高速罗城收费站南侧，南端位于晋源区南城角村，原有完整长度3750m，走向NE18。目前地面遗存仅有三处，分别位于罗城收费站东侧、古城营村西和南城角村，残长共计约800m，其余部分均被毁坏，被道路、村庄和农田侵占，通过考古仍可以发现地下掩埋的遗迹。西城墙遗址与大运高速公路罗城段近于平行，西侧护城河遗迹已有一部分被高速公路叠压，而城墙东侧多为农田和林地。西城墙目前残存的墙体，底部平均宽度15m，顶面宽度410m，高38m，断面呈不等腰梯形。城墙顶面和西侧杂草丛生，并且有很多灌木植物，东侧墙体近于直立，表面植被较少，裸露出的夯土层清晰。2.4某古城遗址病害现状2.4.1墙体裂隙西城墙遗址上较为发育，影响整体结构的裂隙主要有两组，一组与城墙走向平行，裂隙倾角直立近于直立，在城墙剖面上观察到，这组裂隙多自城墙顶部贯通至地面，裂隙宽度在上部较宽，宽度24cm不等，缝隙中有植物根茎或虚土充填，向下逐渐闭合。裂隙距离城墙两侧临空面均在3m范围以内，属于土遗址上的卸荷裂隙。另一组较为发育的裂隙主要分布于城墙东西两侧的墙面上，走向垂直于城墙走向，裂隙倾角多近直立，相互平行，上下基本贯通，裂隙闭合，间距在50cm左右。这组结构裂隙往往在城墙较为陡直的地段与卸荷裂隙相交，垂直切割墙体，造成较大体积的墙体坍塌。另外，在城墙表面普遍发育细小的竖向裂缝，长度1020cm不等，表面流水冲蚀痕迹较为明显，属于土遗址表层的干缩裂缝。2.4.2顶面冲沟某古城所处环境内的降雨主要集中在夏季，并且以集中式降雨为主，一旦具有一定的汇水面积，便会在遗址表面沿裂隙入渗，裂隙进一步扩展形成规模不一的冲沟，降雨产生的地表径流沿汇水地形流动，对土遗址表面造成的侵蚀破坏。这种病害主要发育在西城墙遗址墙体的东立面，以结构裂隙为基础，冲沟深13m不等，宽度46m，冲沟两壁多为植被覆盖。2.4.3剥蚀与酥碱剥蚀是指土遗址的表面在外营力或内营力的作用下表面疏松起壳，在外力或重力作用下成片状或小块状脱落。西城墙遗址墙体上植被生长茂盛，剥蚀病害主要发育在城墙东西两侧中上部墙体裸露、无植被覆盖的区域，且较为严重，基本上都是大段的墙体整体发育，形成墙体表面较为松散的风化层，一般影响深度在310cm之间。特点为风化疏松的土体在雨水或雪水浸泡下，含水量增大，土体强度降低，在重力作用下成小块状脱落，造成城墙土层的逐层剥离。西城墙的酥碱病害主要出现在城墙地基2040cm高度内。城墙根部均有松散土堆积，在刨开堆积土后，墙根部位的表层土体潮湿且极为松散，表面用手刨时多呈粉末状脱落，有的部位向墙内凹进较深。根据室内电镜扫描分析土颗粒微观成分，某古城遗址西城墙土体中含盐量较高，在雨雪冲刷淋滤的作用下，土体内部的盐分在土体遗址的表面富集，由于盐分的结晶、溶解后体积的变化，膨胀收缩的反复作用，土体结构不断疏松，从而引起土遗址的破坏。主要的病害部位集中于城墙地基毛细水作用的高度以内。2.4.4生物病害破坏西城墙遗址表面和周边植被生长茂密，主要植物以草本和灌木为主。这些植被在西城墙表面形成了约30cm厚的腐殖层。植物的根劈作用对西城墙墙体的破坏也较为严重，在城墙东立面上，顶部灌木植物的根系甚至一直延伸到城墙底部。2.4.5人为因素 某古城遗址本体受到村镇建设发展的影响极大；某古城遗址内外土地利用现状，由于受城市发展重心南移影响而变得越来越紧张。目前西城墙遗址多在耕田及村庄中遗存，因此人为因素造成的影响比较严重。主要的破坏是由于农业耕作、民房侵占、道路挤压、考古破坏等情况。2.5遗址病害成因分析土遗址的自然破坏因素较多，很少有单个因素作用的病害，往往是多种因素综合作用的结果，也可能是多种因素交替作用的结果。综上所述，某古城西城墙遗址病害形式包括了墙体裂隙、顶面冲沟、表面剥蚀酥碱、植物破坏以及人为影响等多种。按照这些病害形式对文物遗址的稳定性、耐久性和历史真实性的影响，我们可以将这些病害分类归纳为结构病害、水致病害、表层劣化与损伤、赋存环境问题。分析土遗址的病害机理可以从内团和外因俩个方面来阐述，内因是土遗址本身的组成与物理力学性质，外因是土遗址的环境因素。对于某古城遗址来说，水是影响其存在的重要因素。根据现场勘察、物探和室内试验的结果，西城墙土体的渗透系数较高，天然含水量自遗址表面向内部的变化率较大，尤其在01m的范围内，土体的孔隙率和含水率都较高。水的作用分为大气降水和地下毛细水两种类型。大气降水除雨蚀破坏之外，其汇集的地表径流与墙体裂隙共同作用，形成裂隙型冲沟，这种冲沟沿已有的裂隙不断冲蚀、扩大裂隙，并且规模(长度、宽度、深度)比裂隙更大，对某古城遗址的耐久性造成影响。雨蚀对土遗址的影响主要有暴雨冲刷和浸润崩解两种表现形式。当较大降雨发生时，雨滴密集，对土遗址产生很大的冲击力，雨滴击溅可分为干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀3个阶段。降雨初期，雨滴降落到相对比较干燥的土体表面，因土体颗粒间隙有空气充填，土粒还来不及吸取雨水，细小土粒只随雨滴溅散开，随着降雨时间的延长，表层土体空隙充填的水分逐渐增多，并继续接受雨滴雨的作用下，土体迅速崩解，当其土体表层水分增加到饱和程度后，即成为稀泥状态，降雨过程继续延长，土体表层的泥浆将阻塞土壤孔隙，妨碍水分继续下渗，形成泥浆状沿墙面流下。当降雨停止时，土遗址表面浸润饱和的土体随着温度的变化迅速干缩，形成一层泥皮，在形成过程及后期，逐渐和土遗址表面新鲜土体分离，在外力作用下，剥离脱落，形成雨蚀剥离病害。这种作用是一个不断循环的过程，只要环境因素存在，它将一直进行下去。雨蚀是以物理风化作用为主，而酥碱基本上是一种化学风化作用。在水的作用下，土遗址内部的盐分在土体遗址的表面富集，由于盐分的结晶、溶解后体积的变化，在膨胀收缩的反复作用下，土体表层结构不断疏松，从而引起土遗址的破坏。由此可得对某古城遗址的保护，对于水环境的控制尤为重要。充分考虑的某古城遗址区域的地质环境,以及当地气象资料对于某古城遗址采取防雨蚀加固保护。某古城遗址加固保护3.1加固材料筛选某古城遗址位于山西省太原市，属于潮湿地区，相对于西北地区的土遗址某古城遗址所处环境相对潮湿，所处气候环境变化复杂，面临更多不利的条件。某古城遗址修缮后主要面临植物生长问题。现有某古城遗址城墙上植被生长茂盛，植物的根系作用破坏城墙的稳定性，并产生裂隙，成为地表水渗移的通道，也为一些野生动物提供巢穴和食物。这将严重影响某古城遗址的长久保存。某古城遗址还面临这冻融病害的问题，遗址地区夏季雨量充沛，冬季寒冷冻融现象十分明显，冻融作用容易造成城墙墙体开裂，长期冻融作用结果则会至城墙坍塌。经过现场试验和室内试验的筛选，本次加固工程中拟采用现在在文物保护加固材料领域研究较为成熟的聚丙烯酸材料和传统的建筑材料石灰，将二者按照科学配比，并在现场施工工艺改进基础上，作为对某古城遗址进行加固的首选材料。丙烯酸类加固剂在浓度非常低的情况下对土体就有加固作用,使土体具有很好的耐水性、耐冻融能力,耐盐破坏能力也有提高,并且不影响土体的外观和透气性。丙烯酸类加固材料具有以下明显的优点：透明度高，耐候性好，耐氧化，耐油，渗透能力好、渗透深、加固强度高。但也存在一些缺点：在浓度较高时会阻止土质内部的水分以液态和蒸气状态向外迁移；聚合后有收缩，在加固材料表面容易产生裂隙。针对与丙烯酸类加固材料的缺点，我们在本次加固工程中改进了加固材料的施工工艺，即采用将一定浓度的聚丙烯酸溶液拌合入土中，再按照土的最优含水量进行配水，最后再对改性的土进行夯实加固，而不采用先夯实加固，再在夯实后的土体表面喷洒聚丙烯酸，从而避免了加固深度不够，由于渗透聚集而仅在表面形成一层硬壳层从而阻碍水汽的运移；另一大措施是在土中加入适量的传统材料石灰。石灰能有效改善聚丙烯酸加固材料在聚合过程中产生的收缩，而且能在一定程度上增强土的强度，并对土的透气性不会造成明显影响。加入作为传统建筑材料的石灰，与当前文物保护加固领域所强调的相一致。3.2试验验证在某古城遗址保护加固工程正式开始之前，我们在查阅分析和对比大量文献资料后，在其他人员已经展开的试验基础上，又增加了几项加固材料对比试验，即原土、原土+3%丙烯酸、原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸、原土+3%硅溶胶四种材料。针对上述四种材料，开展了含水率试验，颗粒分析试验，密度试验，土粒比重试验，界限含水率试验，抗压强度试验，直接剪切试验，耐水试验，喷淋试验，冻融试验，盐蚀试验，收缩试验，固结试验等测试试验。密度试验：通过密度试验发现，相比于原土，其他三种加固材料加固后的试样密度除了原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸略有提高外，其他无明显变化，并且四种试样的孔隙率变化不大，保证了土中存在必要的孔隙，作为水蒸气运移的通道。表1 密度试验统计表试样编号试样说明天然密度(g/cm3)干密度(g/cm3)含水量(%)孔隙率n(%)1原土2.1301.89314.2529.92原土+3%丙烯酸2.1281.88415.0130.23原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸2.1541.93612.9828.34原土+3%硅溶胶2.0951.86114.4631.1液塑限试验：液塑限试验结果表明，原土+3%硅溶胶与原土的液塑限比较吻合，即无明显变化，而原土+3%丙烯酸、原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸两试样液塑限表现出了较为明显的变化，液限明显增大，塑限则是原土+3%丙烯酸试样较原土增大，而原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸试样塑限较原土则出现了降低现象，而两种加固试样的塑性指数均明显增大，即对外界出现的较大降雨条件下仍能保证加固土体具有一定的塑性和自身强度，从而避免迅速液化而崩解，在加固土体表面产生冲沟等不利现象。表2 界限含水率试验统计表试样编号试样说明塑限(%)液限(%)塑性指数可塑程度1原土14.2420.366.12低塑性2原土+3%丙烯酸15.0123.698.68低塑性3原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸12.9824.1311.15中塑性4原土+3%硅溶胶14.4620.916.45低塑性抗压强度试验：无侧限抗压强度试验结果表明：三种加固试样的抗压强度较原土均有明显提高，而以添加8%丙烯酸的试样强度最高。然而土遗址土体加固并不是以单纯考虑强度作为加固标准，而且还要考虑到加固后土体与原土体的兼容性、差异性不能太大，再有8%浓度丙烯酸产生的收缩较为明显，容易在加固土体表面产生裂隙，这也是尤为要重点考虑的问题。表3 无侧限抗压强度统计表编号土样说明干密度抗压强度（MPa）1原土1.691.472原土1.921.793原土+石灰10:0.7+3%丙烯酸1.712.384原土+石灰10:0.7+3%丙烯酸1.732.845原土+3%硅溶胶1.692.226原土+5%硅溶胶1.692.77原土+8%硅溶胶1.680.988原土+5%白灰1.782.379原土+3%丙烯酸1.723.210原土+5%丙烯酸1.743.8511原土+8%丙烯酸1.724.6直接剪切试验：直剪试验结果表明，原土+3%丙烯酸加固试样的c、值与原土相比变化不明显，而原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸、原土+3%硅溶胶两加固试样的c、值较原土有明显提升，即抗剪强度有较明显的提高。表4 直剪试验统计表试样编号试样说明c值/kPa 值/1原土10.610.32原土+3%丙烯酸8.911.53原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸21.412.04原土+3%硅溶胶16.510.0耐水试验：在耐水试验中，将试样分别放入装有清水的容器内，观测土样的耐水性能。原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸加固试样表现最好，试样起初表面有起泡产生，底部周围稍有散土但不明显，土样保持稳定，1分钟后底部有土块崩塌，2分钟后土样仍保持稳定，10分钟后土样仍保持稳定，而其他试样最后都完全崩解。表5 某古城遗址试样耐水试验结果试样编号试样说明试验结果试样10分钟后的结果，或完全崩解1原土 1.55g/cm3立即产生大量气泡并开始崩解，土样四周有大量散土堆积，2分30秒后土样完全崩解。2原土+3%丙烯酸1.68g/cm3有大量气泡产生，底部周围有散土堆积，但土样保持稳定，中底部有横向裂隙产生，6分30秒后土样完全崩解3试验段土 原土+白灰（10：0.7）+3%丙烯酸1.69g/cm3表面有起泡产生，底部周围稍有散土但不明显，土样保持稳定，1分钟后底部有土块崩塌，2分钟后土样仍保持稳定，10分钟后土样仍保持稳定。4试验段土 原土+白灰（10：0.7）+3%丙烯酸1.70g/cm3表面有起泡产生，底部周围稍有散土但不明显，土样保持稳定，2分钟后土样仍保持稳定，10分钟后土样仍保持稳定。5原土+3%硅溶胶1.71g/cm3试样有少量气泡产生，土样四周有散土崩塌，崩解速度逐渐加快，顶部有环状裂隙产生，1分30秒后土样崩塌较严重，2分10秒后土样完全崩塌喷淋实验：喷淋试验中，模拟降雨条件，在相同的降雨条件下观测试验的耐喷淋，耐冲刷性。同样原土+石灰（10：0.7）+3%丙烯酸加固试样表现最好，试样初始时顶部大块石灰被冲走，2分钟后试样底部有坍塌，4分钟后土样仍较稳定，无明显变化。4分30秒试样底部有小块崩塌，7分30秒试样底部有块体崩塌，20分钟试样仍保持稳定，而其他试样最后都完全崩解。表5 某古城遗址试样喷淋试验结果试编号试样说明试验结果照片试样20分钟后的结果，或完全崩解21原土+3%丙烯酸1.71g/cm32分钟后试块开始大面积崩落，7分钟后试块完全崩解22试验段土 原土+白灰（10：0.7）+3%丙烯酸1.65g/cm320分钟后试块除表面边角被冲走，试块保持稳定。23原土 1.54g/cm3试验开始后顶部就出现凹坑，50秒后试块基本被掏空，2分45秒后土样完全崩解24原土+3%硅溶胶1.70g/cm3试验开始顶部出现凹坑，试验过程中一直本随着土块的崩落，2分50秒后土样完全崩解25试验段土 原土+白灰（10：0.7）+3%丙烯酸1.66g/cm320分钟后试块除表面边角被冲走，试块保持稳定。冻融试验：冻融循环试验中，将土样用注射器注水至最优含水率状态下，放入冰柜中冷冻，冰柜温度为-24，12小时后去除试验放到室内融化，室温为30左右，如此重复10个循环，观测试验结果。结果表明，除了原土和原土加3%硅溶胶的试块出现冻胀破坏外，其余试块在冻融循环结束后仅表面出现酥软现象。试块的扔保持相对稳定状态。表6 某古城遗址试样冻融循环试验结果试样说明试验结果照片冻融循环试验结果1原土+3%丙烯酸1.69g/cm3表面酥软2试验段土 原土+白灰