甲基硅酸钠对土遗址水理性质改善的扫描电镜分析

王巍智 朱耀冬 朱文利

摘 要：【目的】在长期雨水冲刷及毛细水作用下，土遗址极易受到干湿循环影响产生裂缝，造成破坏。为增加土遗址疏水性、提升其水理性质，利用防水剂对其进行改善。【方法】选用甲基硅酸钠溶液对土遗址进行喷洒处理，使该溶液经毛细作用进入土样内部，再由碳化反应使土体产生疏水性，并通过SEM电镜分析其疏水原理。【结果】通过电镜分析发现：甲基硅酸钠在碳化作用下使土颗粒表面形成有机硅氧膜。随着喷洒次数的增加，内部独立悬浮土颗粒减少，颗粒间连接力有所增加，土样内部孔隙大量减少，阻断了外界水分的入侵通道，降低了土体吸水率。【结论】通过甲基硅酸钠处理，提高了土遗址的水理性质，为土遗址保护提供了新思路。

关键词：土遗址；疏水性；SEM电镜；毛细作用

中图分类号：TU-87;K878    文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2024）06-0081-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.016

Scanning Electron Microscope Analysis of Methyl Sodium Silicate on the Improvement of Hydraulic Properties of Earthen Sites

WANG Weizhi1 ZHU Yaodong2 ZHU Wenli3

（1. School of Civil Engineering and Architecture of Kaifeng University， Kaifeng 475004， China; 2. University of South China， Hengyang 421001， China; 3. Kaifeng No.27 Middle School， Kaifeng 475003， China）

Abstract： [Purposes] Under the influence of long-term rain erosion and capillary water， soil sites are highly susceptible to cracks caused by dry-wet cycling. In order to increase the hydrophobicity of soil sites and improve their hydro-physical properties， the waterproof agent is used. [Methods] The soil sites were sprayed with methyl sodium silicate solution， which entered the soil samples through capillary action and then produced hydrophobicity by carbonization reaction and the hydrophobic principle was analyzed by SEM electron microscope. [Findings] It was found that the carbonization of methyl sodium silicate made silicone oxygen film on the surface of soil particles. With the increase of spraying times， the internal independent suspended soil particles decreased， the connection force between particles increased， and the internal pores of the soil samples reduced greatly， which blocked the intrusion channel of external water and reduce the water absorption rate of the soil. [Conclusions] The hydrological properties of earthen sites were improved by methyl sodium silicate treatment， which provided a new idea for the protection of earthen sites.

Keywords： earthen ruins; hydrophobicity; SEM electron microscope; capillary action

0 引言

土遺址是一种重要的文物资源，是人类历史上以土作为主要建筑材料遗留下来的遗迹［1］。我国土遗址分布广泛、组成复杂，在数千年自然、人为等因素的作用下，大都存在严重病害，甚至坍塌消失，保护难度较大［2］。以开封市州桥土遗址为例，在未开发保护之前，其赋存环境较为恶劣、侵蚀严重，加之开封地区的地下水位距离地表面仅2～4 m［3］，在毛细作用下土遗址极易受到干湿循环的影响，产生失水裂缝，导致其力学性能降低，从而造成破坏。开封市位于河南东部，夏季炎热多雨，暴雨和大暴雨等气象灾害较为常见，降雨比较集中［4］，此种环境使地下土遗址干湿循环过程加剧，加速了损坏［5］。因此，如何减少因水分带来的土遗址劣化，是亟须解决的问题。

提升土遗址赋存环境，减少水对现存土遗址的影响一直是国内外学界的研究热点。曹玲等［6］通过模拟降雨、蒸发的干湿循环作用，发现膨胀土裂缝产生的规律，总结出干湿循环对土体的危害。周杰等［7］模拟真实情况下不同性质的溶液，对土遗址进行毛细吸水试验，发现结晶压和软化作用是其被破坏的主导动力。张虎元等［8］尝试用直流电场抑制土遗址中毛细水的上升，为在潮湿环境下土遗址保护提供了新的方法。张明泉等［9］对潮湿环境黏性土地区考古现场地下水进行控制试验，运用人工填砂对黏性土层中的地下水进行疏导排泄，且阻隔土层中毛细水运动，减少毛细水上升对土体破坏。岳建伟等［10］利用甲基硅酸钠防水剂，通过控制碳化时间和防水剂浓度提高了古青砖的防水性能。总的看来，通过防水剂处理土遗址，改善其水理性质对其进行保护的方法是可行的。

本研究以开封州桥土遗址为研究对象，在保证原位修复原则的基础上，将溶液型憎水剂甲基硅酸钠喷洒在土遗址表面，使其通过毛细作用渗透到土体内部并经碳化反应形成覆膜，改善土遗址的毛细吸水性、水稳定性等水理性质，进而实现保护土遗址的目的。通过SEM扫描电镜深度分析甲基硅酸钠溶液对土遗址修复的作用机理，以及在微观层面的改善机制，为进一步探索土遗址保护技术提供依据。

1 试验材料性质

1.1 开封州桥遗址土基本物理性质

从现场取得开封州桥土遗址上层、中层、下层三段土体中原状土，进行液限、塑限、塑性指数、天然干密度、天然含水量等指标的测定分析，土样的基本物理指标见表1。

由表1可知，上、中、下三层土遗址的液限均大于塑限，说明土遗址具有一定的液态流动性和塑形变形能力，属于塑形土，当其受到荷载时容易发生变形。土遗址上、中、下三层土的塑形指数和天然干密度变化不大，但天然含水量呈梯度增加，每层增加约2%，说明土遗址受到地下水浸泡及外部雨水冲刷时，由于毛细作用，土体内部水分经时间迁移更多沉积在下层土体当中。水分的影响加之土遗址的物理性质，使下层土体极易发生塑形变形并造成破坏。由于三层土体含水量不同，干湿循环下三层土体的失水变形能力不协调，极易产生裂缝。通过现场勘察发现，现存开封州桥土遗址上层比下层开裂更加严重，土遗址的保护工作迫在眉睫。

1.2 开封州桥遗址土的水理性质

毛细吸水原理如图1所示。当液体进入土体毛细管中时，因压力原因与导管之间形成[θ]角［11］，当材料接触液体时，液面下B点与相同高度C点由于导管与液体接触时存在不同压力，此时根据液体静力学相关理论得知，两点压强不同时，B点液体升高直至两点压强相同，这就是土遗址毛细吸水的原因。

一方面，当发生毛细吸水时，土颗粒间表面张力减小，颗粒间约束作用减弱，强度降低，宏观表现为强度降低，承载力下降，底部受压发生膨胀变形甚至坍塌。另一方面，由于该土遗址的物理特性易發生变形，当土体失水收缩时由于表面张力原因，易产生裂缝［12］。裂缝的产生加剧了土体的毛细作用，此时水的浸润作用和内外应力差引起矿物颗粒膨胀、挤密，不同的矿物膨胀率不同，导致矿物颗粒交界面差异产生错位，宏观表现为裂纹。随着水的不断迁移，裂纹也逐渐增多增大，这也是造成土遗址浸水破坏的主要原因。

1.3 防水剂的选择

本试验选择新型刚性防水材料甲基硅酸钠溶液作为防水剂，该材料具有良好的渗透结晶性，常用于混凝土、石灰石等材料［13］。其作用机理为甲基硅酸钠易被弱酸分解，当二氧化碳通过孔隙进入试样，溶于试样水分中时，甲基硅酸钠便会被分解成甲基硅酸，同时很快脱水聚合生成极具憎水性的聚甲基硅氧烷，可在土颗粒表面形成一层极薄的憎水且透气的聚硅氧烷膜，大大提高土颗粒的憎水性、土体的防水性，降低了土体的吸水量，且不会改变土遗址本身各项性质，造成土体破坏。

2 试验方案

2.1 土体试验

试验土样取自开封州桥土遗址原状土，选用有机硅防水剂甲基硅酸钠为改善材料，通过喷洒的方式对土遗址表层进行改善处理。喷洒在土样表面的溶液通过土体本身毛细作用向内渗透。

试验中甲基硅酸钠防水剂浓度选择10%，喷洒次数选择2次、4次、6次、8次，在同等条件下碳化养护9 h。随后通过在土样表面洒水观察其疏水性，探究防水剂作用深度及甲基硅酸钠在试件中的堆积情况。

2.2 SEM电镜试验

SEM扫描电镜能够直观地看到土颗粒大小、形状、表面特征、接触关系、排布特征及孔隙大小、孔隙连通性等性质，通过微观结构分析能够分析出土遗址水理性质改善的特点。首先对原状土样进行取样放大观察，总结原状土颗粒的堆积形态和水理性质形成原因。在甲基硅酸钠浓度为10%条件下，分别对处理2次、4次、6次、8次土样进行取样观测，取样位置在土体中间层位置。分别对土颗粒放大500倍、2 000倍、5 000倍，观察甲基硅酸钠对土遗址水理性质的改善机理。

3 试验分析

3.1 土样处理后试验分析

土样经处理不同次数后滴水渗透试验结果如图2所示。由图2可知，在未处理试块表面喷水时，水分通过毛细通道全部进入试块内部，完全被土样吸收渗入土体且产生微膨胀。当处理2次后，土样吸水稍有改善，土体湿润，表面有少量水分残留，土样疏水性稍有提高，但表面水滴与试样夹角α逐渐增大（如图3所示）。随着处理次数增加，甲基硅酸钠防水剂有效封堵土样内部毛细管道，并在试块表面形成了一层“隔水膜”，当液体滴在试块表面上时土样湿润情况减少，表面残留水滴与试块表面夹角α不断增加，防水性有所体现。由此可见，甲基硅酸钠溶液对实际工程中建筑灰浆的耐久性和耐水性都有增益作用。

3.2 SEM电镜试验结果分析

对未经处理、处理2次、4次、6次、8次的式样进行500倍、2 000倍、5 000倍放大观察（如图4所示）。从未经处理式样电镜图4（a）、4（b）、4（c）中可以看到，土颗粒间连接较少、连接力较差，颗粒排列较为松散，形成大量大小不一的空隙。这些空隙导致水分很容易侵入土体内部，削弱了土颗粒间的连接力，使土体内部原有空隙进一步扩大，吸水性进一步提高。循环往复造成土体耐水性愈发降低、结构疏松，容易发生破坏。

由图4（d）、4（e）、4（f）可以看出，当经甲基硅酸钠防水剂处理2次时，土样中存在少量独立悬浮土颗粒，部分颗粒连接在一起，颗粒间排列紧密，但仍存在少量孔隙。从放大2 000倍及5 000倍观察发现，其颗粒间连接较为微弱，这是因为低浓度的甲基硅酸钠溶液通过化学反应后生成的有机硅氧膜数量有限，不能包覆所有的土颗粒，且不足以使土颗粒上的膜结构相互连接形成更大更完整的膜结构，说明少量喷洒能在一定程度上提高土体耐水性。

对比处理4次、6次土样，极大部分土颗粒连接紧密，独立悬浮的土颗粒大量减少，整体微观结构更为紧密。从更高放大倍数电镜图片可以看到，颗粒间仅有少量空隙存在，颗粒间连接十分紧密。这是由于高浓度的甲基硅酸钠溶液可生成足量的有机硅氧膜，不仅能包覆所有的土颗粒，且膜与膜之间足以相互连接形成更大更完整的膜结构。对比处理2次试样来看，随着处理次数的增加，可以有效提高土体耐水性。

当处理8次后，经过多次碳化反应，试样内部基本不存在独立悬浮颗粒，不同于未处理试样的坑洼不平，土颗粒排列紧密，连接成不规则的面状结构。因此，试样内部仅存在极少数孔隙，使得外界水分不容易侵入土体内部，提高土体的耐水性。这是因为甲基硅酸钠的加入，会随机附着在土颗粒表面，通过化学反应生成有机硅氧膜，土颗粒间的硅氧膜相互连接，形成更大更完整的膜结构，增强了土颗粒之间的连接，减少孔隙，阻断了外界水分的入侵通道，且该有机硅氧膜是憎水性薄膜，极大提高了土体的耐水性，同时该有机硅氧膜具有良好的透气性，可以在提高土遗址耐水性的同时，不影响其“呼吸”，符合土遗址的修复原则。

4 结论

本研究以开封州桥土遗址为研究对象，采用SEM电镜深度分析溶液型憎水剂甲基硅酸钠对遗址土的改良机理，探究内部形貌变化。结果表明：通过喷洒10%浓度甲基硅酸钠溶液并经过碳化反应处理改善土遗址水理性质发现，处理2次后，土样表面稍有疏水性，滴水后土样略有湿润。随着处理次数的增加，试样表面呈现疏水性，經过滴水处理后水分没有渗入土样内部，实现疏水性。分析机理发现，甲基硅酸钠溶液改良机制通过相关化学反应，在土颗粒表面生成一层不溶性树脂憎水膜。由于甲基硅酸钠易被弱酸分解，当二氧化碳通过试样的孔隙进入试样，溶于试样的水分中，甲基硅酸钠便会被分解成甲基硅酸，同时很快脱水聚合生成极具憎水性的聚甲基硅氧烷，可在土颗粒表面形成一层极薄的憎水且透气的聚硅氧烷膜，极大提高了土颗粒的憎水性、土体的防水性，降低了土体吸水量，体现了甲基硅酸钠溶液对土遗址水理性质改良的可行性。

参考文献：

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