土遗址锚固用烧料礓石拌合遗址土浆液龄期性能

任晓茹，张景科，王 南，单婷婷，赵林毅，李最雄

(1.兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000；2.敦煌研究院 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心，甘肃 敦煌 736200)

土遗址锚固用烧料礓石拌合遗址土浆液龄期性能

任晓茹1，张景科1，王 南1，单婷婷1，赵林毅2，李最雄2

(1.兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000；2.敦煌研究院 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心，甘肃 敦煌 736200)

为寻求与土遗址更为兼容的锚固灌浆材料，选择烧料礓石与民勤县明长城红沙堡遗址土以1∶1比例拌合的浆液材料，对其结石体进行了不同龄期收缩率、含水率、波速、渗透系数、密度、抗折强度和抗压强度的测定及微观结构变化观测。试验结果表明，结石体在龄期28天的收缩率、波速及含水量基本趋于稳定，而抗折强度和抗压强度28天后仍持续发展，直到龄期90天时保持稳定。微观结构观察结果较好地证明了以上规律。烧料礓石前期水化及后期碳化反应保证浆液早期及后期强度。同时渗透系数及密度与遗址土的相近，保证了结石体与遗址土体的兼容性。研究初步表明，该浆液适宜于土遗址锚固工程中使用。

土遗址； 锚固浆液； 烧料礓石拌合遗址土； 龄期性能； 兼容性

1 引 言

受自然作用和人为因素的影响，我国现存土遗址存在不同程度的结构稳定性隐患。锚杆加固技术是一项加固开裂土体，提高墙体整体性的有效措施[1]。由于锚固工程的隐蔽性，既遵循了土遗址保护理念，又能满足土遗址保护在强度上的要求。因此，近年来锚固技术在土遗址力学稳定性控制应用中日益广泛。

20世纪90年代，首次尝试运用锚固技术加固甘肃省安西县破城子遗址[2]，取得了理想的加固效果，由此逐渐开始土遗址锚固系统的探索与研究。虽然现代岩土工程锚固技术已很成熟，但鉴于土质文物的特殊性，依然无法全部应用于土遗址加固中。如土遗址中对锚固浆液的选用，除满足与土体匹配的渗透系数、适宜的黏结力、小的收缩率等要求之外，更要求浆液与土遗址材料能最大兼容。对此专家学者进行了一系列试验研究：在对已有的水泥砂浆浆液的研究中发现[3-4]，它可提供足够的锚固力，但水泥砂浆与遗址土体存在较大的物理化学性能差异，为避免产生保护性破坏，它只能用于土遗址载体，不能用在土遗址本体；针对体型小、抗拔力要求不高的土遗址墙体，研发出改性泥浆浆液[5]与PS系列锚固浆液[6]。锚固浆液的选择总体上依然处于探索与初步应用阶段。

随着研究的深入，土遗址加固材料的选用现在更倾向于传统建造材料，以保证加固材料与土遗址间能最大兼容。李最雄等[7]在对甘肃秦安大地湾仰韶时期遗址房屋地面研究中发现了中国最早的硅酸盐胶结材料，具有很好的强度及耐久性。早在20世纪70年代，欧洲就广泛使用与这种材料物理力学特性类似的水硬石灰修缮岩土质文物[8-9]，形成了规范的加固技术[10]。近年来，我国文物保护工作者在通过对料礓石高温焙烧改性后的材料特性中发现[11-12]，它是一种与石质及土质文物之间能很好兼容的硅酸盐类胶凝材料。在不

同的焙烧温度下，可控制烧料礓石各化学组分的含量，从而得到适用于不同岩土类文物的修复材料[13]。局部性试验表明[14]，烧料礓石材料适宜于土遗址裂隙灌浆加固工程。而以往对其拌合材料应用于锚固工程中的研究也仅限于锚固系统性能上[15]，针对烧料礓石拌合遗址土材料本身性能的研究依然是空白。

因此，为进一步揭示锚固用烧料礓石拌合遗址土浆液的性能，本试验选择烧料礓石拌合遗址土为主要材料，通过对其结石体的收缩率、含水率、声波、渗透系数、密度、抗折和抗压强度等物理性能的试验研究，观测并分析各项指标的发展规律，进而初步判断该浆液材料在土遗址锚固加固工程中的适用性。

2 试验方案

2.1 试验材料

主要试验材料包括烧料礓石与遗址土。其中烧料礓石由国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心中试基地生产；遗址土取自武威市民勤县红沙堡遗址坍塌体，遗址土性能如图1、表1所示，试验用水为实验室自来水。

图1 红沙堡遗址土易溶盐含量Fig.1 Soluble salt content of Hongsha Castle earthen fabric

表1 红沙堡遗址土基本性质指标

经研究，随着拌合料中烧料礓石比例的增加，改性遗址土的性能逐渐加强[16]，结合工程实践经验，选择烧料礓石和遗址土质量比为1∶1；通过183mm的流动度确定其水灰比为0.61。

2.2 试样制备

将上述配比配制的浆液在铁制模具中成型，各项测试均为三组平行试样，24小时后拆模具，取出结石体。为了更接近土遗址所处的实际环境，结石体选择在室外土体中养护，即将结石体放在15cm厚的夯实土层上，并用15cm厚松散土体掩盖(图2)。

图2 试样养护布置图Fig.2 Arrangement plan of specimens maintenance

收缩率试验、抗折强度和抗压强度试验采用规格为40mm×40mm×160mm试样；波速测试采用规格为70mm×70mm×70mm试样；渗透试验采用规格为Φ61.8×20mm试样。将开始养护当天记为0天，而后在每天的同一时间测试结石体0天至28天的收缩性、声波，同时进行结石体微观结构变化的观测，并分别在龄期为3天、7天、14天、28天、60天、90天及120天时进行抗折、抗压试验。

2.3 试验方法

收缩率试验采用标准杆基准长度为176mm、测量精度为0.001mm的比长仪，依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70-2009)；波速试验采用中科智创岩土技术有限公司出产的RSM-SY型声波仪，依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70-2009)；含水率、密度、渗透系数试验依据《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)；抗折强度和抗压强度测试用天水红山试验机有限公司生产的微机控制电子压力试验机(WDW-200)，依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)；在龄期0～28天内，采用Anyty 600倍无线数码显微镜(3R-WM601PCTV)，在结石体的同一位置(由记号笔标出)，进行其显微镜照片拍摄。

3 试验结果

3.1 结石体收缩率

试验结果(图3)表明，结石体在前3天收缩较大，几乎呈线性发展，龄期3天时收缩率为0.45%；之后开始逐渐减缓，直到龄期9天后收缩率变化明显变小；龄期16天之后的变化基本趋于稳定，在龄期28天时的收缩率为0.69%，对比看出，前3天收缩率达到28天的65%。

图3 收缩率随龄期的变化曲线Fig.3 Variation curve of shrinkage rate with age

3.2 龄期含水量

图4 含水率随龄期的变化曲线Fig.4 Variation curve of water content with age

由不同龄期的含水率变化曲线(图4)可得，该曲线斜率在龄期前9天内较大，其后开始变小，18天后几乎趋于零，直观表现是曲线与横坐标轴之间不断向“平行”状态发展，曲线斜率变化体现出含水率变化情况。试样的含水率在前9天内减少较快的最主要原因是烧料礓石的水化反应。

3.3 结石体声波

由结石体波速在不同龄期的变化曲线(图5)可知，结石体0天的波速为896m/s，而龄期为1天时下降至370m/s，之后随龄期的增长波速逐渐增加，龄期9天的波速为899m/s，之后波速增长逐渐减慢，18天之后增长得更加缓慢，即波速的变化呈先减小后增大，最终趋于稳定的状态。龄期28天的波速为1198m/s，龄期9天的波速是28天的75%，由此可看出，波速的发展主要集中在前9天。开始时波速下降的原因是，结石体在0天时，其内部孔隙基本被水分充满，而烧料礓石还未发生完全水化反应，随后将结石体养护于室外的土体中，其中的一部分水分被掩埋的土体吸收，一部分水与烧料礓石反应，导致结石体内部孔隙逐渐暴露出来。由于波速的大小受结石体内部孔隙、含水量等诸多因素的影响，这就使得龄期1天时的波速相比0天的有大幅度减少；虽然结石体中的部分水分被消耗，致使结石体内部孔隙增多，但是烧料礓石与水和二氧化碳的反应会使得结石体的结构逐渐密实，从而使波速逐渐增加。

图5 波速随龄期的变化曲线Fig.5 Variation curve of wave velocity with age

3.4 结石体密度及渗透系数

结石体龄期28天的密度及渗透试验测定结果表明：结石体的密度为1.16g/cm3，渗透系数为8.9×10-7cm/s；而遗址土渗透系数是5.3×10-6cm/s，遗址土的天然密度为1.66g/cm3。对比可知，遗址土的渗透系数及密度与浆液结石体相接近，保证了锚固系统中的土体-浆体之间不会出现分离界面，从而保证了浆液与遗址本体之间能够紧密接触，确保锚固效果。

3.5 结石体不同龄期抗折、抗压强度

3.5.1 抗折强度 结石体抗折强度随龄期的变化结果(图6)表明：结石体抗折强度大体随龄期的增加而增加，但在龄期28天、90天时其抗折强度均分别较之龄期14天、60天的有所降低。结石体的抗折强度在龄期3天至7天间发展缓慢，在龄期7天后发展加快。其中，龄期3天及28天的抗折强度分别为0.202MPa、0.540MPa，龄期3天的抗折强度大约为28天的40%，说明结石体有较高的早期抗折强度；结石体90天的抗折强度为0.701MPa，较之28天的增长了30%，表明结石体的后期强度在龄期28天后仍在继续进行发展；而在龄期120天时结石体的抗折强度相比60天的无明显变化。

图6 抗折、抗压强度随龄期的变化曲线Fig.6 Variation curve of flexural strength and compressive strength with age

结石体抗折强度在28天、90天的异常，部分原因可能是由于下垫层不平或养护掩盖的土体给结石体施加了压力，致使试样被压弯变形，最终影响了结石体抗折强度的测定结果。

3.5.2 抗压强度 由图6可知，结石体抗压强度在整个龄期均不断增加，但在早期发展较缓，龄期7天后发展迅速，龄期3天的抗压强度为0.809MPa，28天的为3.714MPa，3天的抗压强度约是28天的20%，说明抗压强度发展较快；这种现象维持到龄期60天时开始发生转变，即强度的发展变化逐步减缓，但相对之前其增长幅度仍很大，说明该结石体的后期强度发展空间较大；直到龄期120天的抗压强度相比90天的无明显变化，测定龄期可以选择至90天。

3.6 结石体显微照片观测

通过观测所拍摄的微观显微镜照片(图7)可发现：结石体的结构由开始的散粒状逐渐胶结成块状，由疏松变得更加密实，颗粒之间之所以能形成很好的胶结，是由烧料礓石的水化和硬化反应导致的。将龄期3天的与龄期2天、1天的显微照片进行对比，可看出构成结石体的物质成分由粒状开始胶结成小块，之后随着龄期的增加逐渐变密变紧凑，到龄期9天这一现象在相邻龄期变化不再明显，结石体在龄期9天前后的收缩率、波速及含水率的变化相比其之前开始发生转折，浆体微观观察结果与宏观性能变化相吻合。

4 讨 论

试验选择将结石体养护于室外土体，是为与土遗址实际环境相近，这种养护条件存在许多在标准养护条件中无法加入的不确定因素，更能反映浆液在实际工程中的情况。综合各试验结果可看出，各性能之间均相关联，其中结石体的波速和强度结果呈正相关关系，同时它们与收缩率和含水率在不同龄期内的发展变化一致。龄期为9天之前各物理力学指标发展均很迅速，之后开始逐渐减缓，而大致在龄期18天前后其

图7 结石体微观显微镜照片 Fig.7 Microcomic photos of specimen by microscope

变化均很小，但后期还是相应有所发展，尤其是抗折、抗压强度，它们在28天后相应增长量仍很大，同时结石体有足够大的前期和后期强度，能满足土遗址锚固工程前期对强度的要求，保证了在工程中的良好效果。

由于烧料礓石中含有一定量的气硬性和水硬性胶凝材料[13,17]，它们是结石体各性能有上述发展趋势的根本原因。结石体的收缩率、含水率、密度及波速的发展主要集中在前9天，初步分析其原因是在初期结石体内含有较多的水分，而烧料礓石中的水硬性胶凝材料与水的反应过程需水量大，水分被大量消耗时，导致结石体收缩变形大、含水率及密度快速变小，同时烧料礓石的水化反应也是提供结石体早期强度的主要原因；随着龄期的增加，烧料礓石的水化反应逐渐完成，此后试样含水率和密度变化减慢；随后烧料礓石中的气硬性胶凝材料将逐渐吸收利用养护土体中的水分及二氧化碳，发生缓慢而漫长的碳化反应，这就使其收缩率变化减慢，也使得含水率和密度在后期相邻龄期的变化不明显，波速逐渐增大，同时为结石体提供后期强度。烧料礓石的这一系列化学反应，与马清林等[18]对将烧料礓石应用于潮湿环境下壁画地仗加固材料试验研究中的胶凝机理相符。

土遗址中所用的锚固浆液对其强度的要求较严格，要求浆液强度要略大于加固土体强度，且锚固浆液的强度对锚杆锚固力影响很大，在一定范围内其强度越大锚杆锚固力就越大。试验结果表明，烧料礓石与遗址土以1∶1质量比拌合的浆液能满足其收缩率和早期强度的要求，结石体密度及渗透系数均与遗址土的相近，加之胶凝材料后期逐渐碳化，生成与遗址土体相结合的胶凝体，这些能保证锚固浆液与遗址土体之间能逐渐结合并具有较好的物理力学兼容性。

在烧料礓石硬化反应过程中，遗址土中易溶盐含量对反应影响不可忽视，试验中遗址土的选择均结合实际工程，而遗址土体本身性质决定了浆液材料的差异性。因此烧料礓石拌合遗址土浆体材料的性能，仍需结合不同土遗址锚固工程性质进行评价。

5 结 论

1.结石体波速呈现先降低后升高，而后逐渐减慢的过程，其发展变化状况与结石体强度和含水率的发展情况相对应，变化的转折点均在龄期9天和18天。

2.结石体具有较高的早期抗压强度，且早期抗压强度发展较快；龄期28天后结石体强度仍在发展，其中抗压强度发展较迅速，直到90天才保持稳定。

3.结石体具有较小的收缩率，前期、后期强度及其渗透系数也能满足要求，且与土遗址能最大兼容，符合土遗址保护原则。研究初步表明，烧料礓石拌合遗址土的锚固浆液适用于土遗址锚固加固工程。

4.建议进一步开展微观机理分析及易溶盐对浆液结石体影响的研究。

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Age Performance of Grout Mixed with Calcined Ginger Nuts and Earthen Fabric in Anchoring Conservation of Earthen Sites

REN Xiaoru1， ZHANG Jingke1， WANG Nan1， SHAN Tingting1， ZHAO Linyi2， LI Zuixiong2

(1.Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China, the Ministry of Education of China, School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 2.National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites, Dunhuang Academy, Dunhuang 736200, China)

To find more compatible anchoring grout material, caclined ginger nuts and earthen fabric from Hongsabu site of Ming dynasty Great Wall at Minqin country were chosen with the mixture proportion of 1∶1. The properties of grout material including shrinkage, water content, wave velocity, permeability coefficient, density, flexural strength and compressive strength, and photomicrographs were tested or observed. Experimental results show that shrinkage, wave velocity, water content basically keeps stable at a certain value at age of 28d. Meanwhile, flexural and compressive strength keep rising after 28d and terminate at 90d. Microscope observation results testify the above phenomenon. Initial stage dominated by hydration guarantees the early strength to further support the anchor ability, and later stage dominated by carbonation provides the possibility of strength increase with age. Similarity of penetration coefficient and density to some extent proves that harden grout is compatible to earth sites. As a conclusion, the studied grout material is basically suitable to anchoring requirement of earthen sites.

earthen sites； anchor grout； mixture of calcined ginger nuts and earthen fabric； property with age； compatibility

1673-2812(2017)01-0062-06

2016-01-11；

2016-02-17

“中央高校基本科研业务费专项资金”资助项目(lzujbky-2015-179)；国家自然科学基金资助项目(51578272)；国家十二五科技支撑计划课题资助项目(2014BAK16B02)

任晓茹(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：古遗址保护加固研究，E-mail: renxr14@lzu.edu.cn。

张景科(1980-)，男，副教授，博士。E-mail: zhangjink@lzu.edu.cn。

TU521

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.013