CN103669322B

CN103669322B - 一种潮湿土遗址的保护方法

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Publication number: CN103669322B
Application number: CN201310568139.1A
Authority: CN
Inventors: 张虎元; 朱世彬; 李敏; 张学超; 林澄斌; 陈毅
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN103669322A

Abstract

本发明提供一种潮湿遗址的保护方法，先将生石灰均匀拌和到潮湿土料中，得到石灰土料，再在石灰土料中加入桐油均匀拌和，得到桐油石灰土料，将拌和好的桐油石灰土料填补到潮湿土遗址的坍塌部位。本发明利用生石灰经过一系列反应后与土颗粒结合起来形成共晶体整体，提高土体的强度和水稳定性。利用桐油氧化膜斥水性、选择透过性及反应的不可逆性，对土颗粒的包裹作用，阻隔土颗粒与水的接触，使土体具有斥水性，提高土遗址整体的水稳定性。混合后的土料既具有斥水性，又具有较好的强度和耐水性，将混合好的土料填补于土遗址的坍塌区，可以解决当土体遇水时引起的失稳破坏。本发明为潮湿土遗址的长期保存提供了一种切实可行的新方法。

Description

一种潮湿土遗址的保护方法

技术领域

本发明涉及一种潮湿土遗址的保护方法，特别涉及潮湿环境下不可移动土质类文物的保护。

背景技术

土遗址（EarthenMonuments）是人类社会历史发展进程中遗留下来的由土和以土为主的遗迹和遗物，包括地面与地下的古文化遗址、古墓葬、古城、长城、地宫等遗址。中国作为世界上唯一具有连续不断悠久历史的国家，保存有大量的土遗址。然而，土的特性决定了土遗址天然土体本身强度低、抗蚀性弱、稳定性差。土遗址直接与大地相连，具有不可移动性，与其所依托载体密不可分，是文物保护中最难保护的文物。因此急需开展土遗址保护。

按照所处环境，土遗址被分为干燥土遗址和潮湿土遗址。潮湿土遗址多处于降雨量大、地下水位浅的环境中，土体自身含水量大。水是土的克星，潮湿土遗址的水环境由大气降水、空气中水汽及地下毛细水等组成，生存环境更为恶劣和复杂，潮湿土遗址的保护更为迫切、难度更大。潮湿土遗址所处环境是一个具有诸多不可控因素的敞开体系，控制和调节其所处环境涉及到环境保护、水文、地质、文物保护等多个领域，是一个复杂的系统工程，实现起来较为困难。因此，从遗址土土体自身着手，采用化学加固方法提高遗址土的稳定性是目前国际上普遍认可的一种切实可行的保护方法。从潮湿土遗址病害的形成机理角度，提高土遗址整体的斥水性和力学稳定性是潮湿土遗址保护的关键。

目前研究用于土遗址保护的材料多集中于新型有机材料，包括有机硅类、丙烯酸酯类及含氟聚合物类。研究和应用的重点集中在修复保护有机材料、表面防风化有机材料和加固保护有机材料上。对于传统有机材料和无机材料相结合的研究较少。

发明内容

为了解决潮湿土遗址中土体遇水失稳破坏的问题，本发明提供了一种潮湿土遗址的保护方法，提供了一种以传统有机材料和无机材料相结合对潮湿土遗址进行保护的方法，其对潮湿土遗址进行物理加固，为潮湿土遗址的长期保存提供了新思路。

本发明提供的一种潮湿遗址的保护方法，是先将水与风干后的干燥土料混合，得到潮湿土料，再将生石灰均匀拌和到潮湿土料中，得到石灰土料；然后在石灰土料中加入桐油均匀拌和，得到桐油石灰土料，将拌和好的桐油石灰土料分层填补到潮湿土遗址的坍塌部位。

桐油是一种传统有机材料，是取自大戟科油桐属树木油桐种子的油，是所有油中干性最快的植物油（碘价157~170），可自行聚合甚至完全固化。桐油的这一特殊性质是由于其主要成分α-桐油精（α-Eleostearin）（α-桐酸（α-Eleostearicacid）的甘油酯）的聚合。桐油的混合脂肪酸含α-桐酸74.5%，亚油酸9.7%，油酸8.0%，饱和脂肪酸3.3%，不皂化物0.1%。其中，α-桐酸为一种脂肪酸，系统命名为顺，反，反-9，11，13-十八碳三烯酸，分子中含有三个共轭双键，存在多种几何异构体。不饱和桐油酸分子结构中的共轭双键邻近碳原子上的氢，在空气中氧气作用下发生夺氢反应，生成的氢过氧化物分解产生自由基引发聚合反应。

α-桐酸化学表达式：

亚油酸化学表达式：

桐油具有干燥快、比重小、附着力强、特别是良好的防水性，及氧化成膜的不可逆性，曾被广泛用于建筑，油漆、印刷（油墨）、农用机械、电子工业等方面。

生石灰是一种以氧化钙（CaO）为主要成分的气硬性无机胶凝材料，是人类最早应用的胶凝材料（公元前7世纪）。将石灰粉掺入土中，经拌合、压实及养护后用作建筑物的基础、地面的垫层及道路的路面基层，可改善原土的强度和耐水性。石灰的离子交换、消石灰结晶、碳酸化和火山灰反应可提高土的强度和水稳性。一方面，离子交换反应形成土的初期强度，钙离子（Ca²⁺）与粘土胶体颗粒反粒子层上的钠离子和钾离子(K⁺及Na⁺)发生离子交换反应，使粘土胶体双电子层变薄，土颗粒间的排斥力降低，粘土胶体发生凝聚，亲水性降低，土的强度和稳定性提高；另一方面，碳酸化反应和火山灰反应形成土体后期强度，碳酸化反应是消石灰（Ca(OH)₂）与空气中的二氧化碳反应生成方解石晶型的碳酸钙（CaCO₃）；火山灰反应是土中活性硅酸铝矿物在石灰的碱性激发下解离，在水中与消石灰反应生成硅酸钙和铝酸钙，所生成化合物（碳酸钙、硅酸钙和铝酸钙）的胶结可有效提高混合土的水稳定性。此外，消石灰遇水后发生结晶反应，生成的含水晶体相互结合，并与土颗粒结合起来形成共晶体整体，具有较高的水稳定性。Ca(OH)₂+nH₂O→Ca(OH)₂·nH₂O（1）

Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃+H₂O（2）

SiO₂+xCa(OH)₂+nH₂O→xCaO·SiO₂·(n+x)H₂O（3）

Al₂O₃+yCa(OH)₂+mH₂O→yCaO·Al₂O₃·(m+y)H₂O（4）

经养护后，生石灰在土颗粒孔隙内部与水和CO₂反应，产生碳化作用，生成CaCO₃晶体，石灰的离子交换和火山灰反应还可使土体内部的密实度、强度和导热系数均增加，使遗址土的力学稳定性提高，达到对潮湿土遗址保护的目的。

桐油能够在土颗粒的表面被一层薄膜包裹，且该薄膜能很好顺应着其外形轮廓的变化。桐油具有天然斥水性，土颗粒被桐油包裹后，加固土也具有一定的斥水性和阻隔水与土颗粒接触的选择透过性。同时，桐油氧化膜的张力作用将相邻土颗粒连接在一起，有效的降低了土中小孔隙、微孔隙的数量，达到对潮湿土遗址保护的目的。

本发明首次提出了土遗址的斥水碳化保护理念，首次将无机材料与传统有机材料混合，选取具有碳化作用的生石灰和具有斥水性的桐油作为加固材料，将其引入文物保护领域，并对混合加固材料进行了科学化研究。利用生石灰经过一系列反应（离子交换、消石灰结晶、碳酸化和火山灰反应）后与土颗粒结合起来形成共晶体整体，提高土体的强度和水稳定性。利用桐油氧化膜斥水性、选择透过性及反应的不可逆性，对土颗粒的包裹作用，阻隔土颗粒与水的接触，使土体具有斥水性，提高土遗址整体的水稳定性。

混合后的土料既具有斥水性，又具有较好的强度和耐水性，将混合好的土料填补于土遗址的坍塌区，可以解决当土体遇水时引起的失稳破坏。本发明为潮湿土遗址的长期保存提供了一种切实可行的新方法。

进一步地，所述潮湿土料中的含水量为20.0-22.0%；优选地，所述潮湿土料中的含水量为20.0-20.2%；更优选地，所述潮湿土料中的含水量为20.1%。

潮湿土料中的最优含水率采用击实试验获得，图1为击实曲线图，从中可以看出实施例中南京大报恩寺模拟遗址地宫所用土料的最优含水率为20.1%，最大干密度为1.73g/cm³。

进一步地，所述生石灰与干燥土料的质量比为0.045-0.055：1；优选地，所述生石灰与干燥土料的质量比为0.05：1。

当生石灰与干燥土料的比例大于0.045-0.055:1时，由于生石灰具有较强吸水性，在空气中和土料中的水分迅速反应，故生成的生石灰土料含水率较低，即使再加入桐油也不易进行夯实加固处理或者不易进行土坯制备；当生石灰与干燥土料的质量比为0.05：1时，土体的强度和水稳定性最高。

进一步地，所述桐油与干燥土料的质量比为0.045-0.055：1；优选地，所述桐油与干燥土料的质量比为0.05：1。

当桐油与干燥土料的比例大于0.045-0.055:1时，会因为桐油含量过大而减弱土体的强度；当桐油与干燥土料的质量比为0.05：1，在确保斥水性好的情况下，土体的强度最高。

进一步地，所述生石灰、桐油、干燥土料的质量比为0.05:0.05:1。

生石灰和桐油之间是抑制的关系，当然生石灰含量大则强度高，桐油含量大则斥水性好，然而，桐油多了强度就会差，为了把他们两个的作用发挥到极致，借用他们两个共同的作用对潮湿地区土遗址进行保护，就需要确定到底什么时候，他们是共存双赢的关系，我们最终确定生石灰、桐油、干燥土料为0.05:0.05:1时，为最优配比，土料的强度和斥水性最好。

进一步地，所述填补方法为采用夯筑方式或土坯砌补方式。

进一步地，在所述填补过程中，控制地下水位，确保桐油石灰土料处于地下水位以上。

进一步地，填补加固后，进行保温养护处理，直到桐油的氧化成膜反应和生石灰的碳化作用顺利完成。

进一步地，所述保温养护是用保温材料将井口封闭，温度保持在23℃以上，养护时间至少28天。

本发明的第二个目的是提供桐油和生石灰在潮湿土遗址保护中的应用。

附图说明

图1是南京大报恩寺模拟遗址地宫所用土料击实曲线图；

图2是2011年南京大报恩寺模拟遗址地宫裂隙分布图；

图3是2011年南京大报恩寺模拟遗址地宫坍塌破坏示意图；

图4是2011年南京大报恩寺模拟遗址地宫现场修复后的照片；

图5是加固前遗址土的扫描电镜照片；

图6是应用本发明的方法加固后遗址土的扫描电镜照片；

图7是加固前遗址土和应用本发明的方法加固后遗址土的抗压强度柱状对比图。

具体实施方式

为了理解本发明，通过实施例进一步说明，但并不限制本发明。

以下将以加固南京大报恩寺模拟遗址地宫为例，对本发明的方法进行进一步的阐述。

1、对南京大报恩寺模拟遗址地宫进行加固的施工方法步骤如下：

（1）针对模拟遗址地宫破坏现状，在模拟遗址地宫北面搭工作台；

（2）挖除底部堆积的坍塌物，直至原始深度；

（3）将土料风干过1cm筛；

（4）将水按照最优含水率20.1%与风干后的干燥土料均匀拌和，将混合土料装入密封袋中放置24小时，使水分均匀分布于土料中，得到潮湿土料；

（5）在正常的室内或室外环境下，将生石灰均匀拌和到上述土料中，得到石灰土料；其中，生石灰与干燥土料的质量比为0.05:1；

（6）在正常的室内或室外环境下，借助喷枪装置，喷洒桐油到已经拌好生石灰的石灰土料中，搅拌直至均匀；其中，桐油与干燥土料的质量比为0.05:1；

（7）按置分层夯土模具，并将井壁用玻璃纤维锚杆锚固；

（8）将步骤（6）中拌好的土料倒入模具，采用分层夯筑方法进行加固，夯筑过程中，控制地下水位：使用水泵进行实时抽水处理，确保桐油石灰土料处于地下水位以上，以保证石灰和桐油均处于最佳状态进行内部反应；

（9）将夯实的井壁进行平整化处理；

（10）用保温材料将井口封闭，进行井壁内部材料的保温，确保温度在23℃以上，养护至少28天，以保证桐油的氧化成膜反应和生石灰的碳化作用顺利完成。

2011年采用上述加固方法完成了南京大报恩寺模拟遗址地宫的保护加固，应用效果较好（见图2-4）。

2、应用本发明的方法加工后的遗址土的微观结构测试

为检验经养护后的桐油和石灰共同作用在土中的效果，利用扫描电镜观察加固前后土颗粒的微观结构，利用Poremaster-60全自动压汞仪进行压汞试验，采用电液伺服万能材料试验机进行无侧限抗压强度试验。

扫描电镜照片显示，土颗粒的表面被一层薄膜包裹着，且该包膜能很好顺应着其外形轮廓的变化。桐油氧化膜的张力作用将相邻土颗粒链接在一起，有效的降低了土中小孔隙、微孔隙的数量。同时，孔隙通道内被蜂窝状的晶体填充，使土体的强度和水稳定性均得到提高。

压汞试验结果显示，应用本发明的方法加固后遗址土的临界孔径、总孔隙体积和孔隙率较加固前遗址土有明显的减小。应用本发明的方法加固后遗址土的孔隙率仅为加固前遗址土的20.559%。

。

无侧限抗压强度试验结果显示，应用本发明的方法加固后遗址土的极限抗压强度明显高于加固前遗址土的极限抗压强度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种潮湿土遗址的保护方法，其特征在于：步骤如下：是先将水与风干后的干燥土料混合，得到潮湿土料，再将生石灰均匀拌和到潮湿土料中，得到石灰土料；然后在石灰土料中加入桐油均匀拌和，得到桐油石灰土料，将拌和好的桐油石灰土料分层填补到潮湿土遗址的坍塌部位；所述潮湿土料中的含水量为20.0-22.0%；所述生石灰与干燥土料的质量比为0.045-0.055：1；所述桐油与干燥土料的质量比为0.045-0.055：1；填补方法为采用夯筑方式或土坯砌补方式，在填补过程中，控制地下水位，确保桐油石灰土料处于地下水位以上，填补加固后，进行保温养护处理，直到桐油的氧化成膜反应和生石灰的碳化作用顺利完成，所述保温养护是用保温材料将井口封闭，温度保持在23℃以上，养护时间至少28天。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述潮湿土料中的含水量为20.0-20.2%。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述潮湿土料中的含水量为20.1%。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述生石灰与干燥土料的质量比为0.05：1。

5.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述桐油与干燥土料的质量比为0.05：1。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述生石灰、桐油、干燥土料的质量比为0.05:0.05:1。