CN108085011A - 一种半湿润或湿润区土遗址加固剂及加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半湿润或湿润区土遗址加固剂，包括HYT‑1加固剂、HYT‑2加固剂和HYT‑3加固剂；所述HYT‑1加固剂以纳米氢氧化钙、聚乙二醇为主要原料，以异丙醇为分散剂；所述HYT‑2加固剂以正硅酸甲酯为主要原料，以无水乙醇为溶剂，加入氨水，加热搅拌形成无色液体；所述HYT‑3加固剂是在异丁基三乙氧基硅烷中加入SCA‑903型硅烷偶联剂，以无水乙醇为溶剂。本发明具备良好的渗透性，能够保持土体表面原貌；使土体具备适宜的力学强度，具备较好的抗风化能力；具有较好的耐水性，且具有一定的抗盐蚀能力，能够较好的适应半湿润区、湿润区的土遗址的环境。

Description

一种半湿润或湿润区土遗址加固剂及加固方法
技术领域
本发明涉及一种加固剂，具体是一种半湿润或湿润区土遗址加固剂及加固方法。
背景技术
土遗址是指以土为主要建筑材料的古遗址，即人类活动遗留下的由土和以土为主的遗址和遗物，包括房屋、夯土台基、城墙、窖穴、窑炉、墓葬等。土遗址类文化遗产具有科学性、历史性及艺术性，但其亦具有不可再生性。大多数土遗址处于室外的环境中，长期风吹日晒雨淋，受冻融、大气污染、微生物侵害、盐的融解结晶、震动等的影响，绝大多数土遗址都不同程度地损伤、开裂、块状剥落甚至倒塌，部分遗址岌岌可危，必须采取科学的保护措施，使这些文物得以妥善地保护。文物保护科学的研究对象是古代社会的一切遗存，其目的是如何将它的研究对象，即古代社会遗存保存下去，并能有效利用。
目前，文物保护领域普遍以气候环境特征或等降水量线即秦岭淮河线为界，将土遗址分为北方干燥土遗址和南方潮湿土遗址。结合中国气候特点，将全国干湿气候分为7个等级，分别命名为过湿区、潮湿区、湿润区、半湿润区、半干旱区、干旱区和极端干旱区。干燥土遗址多分布与西北地区，如新疆吐鲁番的交河故城、武威黄羊镇的明长城、敦煌地区的汉长城等；潮湿土遗址如南京大报恩寺遗址、杭州良渚土遗址、福建的土楼等。但是在现场调查研宄中发现，有一些土遗址虽然位于北方，但由于地下水位浅或邻近水域等因素，遗址土水自身处于高含水量条件下，如新疆阿克苏地区新和县塔格托格拉克乡西南的通古斯巴西古城。国内潮湿环境的几个重要土遗址，如良渚遗址、金沙遗址、里耶遗址、城头山遗址，保存状况不容乐观，遗址的病害极为复杂。
由于土遗址直接与大地相连，天然土体强度低、水稳定性能差。因此，即使采取加棚遮盖等措施，也很难避免降水、地表水及地下水等因素对其产生影响，如雨蚀剥离、流水掏蚀、冲沟等。
潮湿环境土遗址保护之所以是一个世界性的难题，其处于多因素不可控环境体系中，其所处的工程地质、水文地质及气候环境不同于干燥土遗址，土遗址的病害类型及其形成机制也不同，在干燥土遗址成功应用的保护材料和技术并不能直接应用于潮湿土遗址的保护。水分运移引发的土体的收缩、开裂、坍塌、崩解、霉菌等病害时刻威胁着潮湿土遗址的脆弱生命，迫切需要采取科学保护措施。土遗址的风化表现为遗址表层在各种环境因素包括温度、湿度、水分、可溶盐、气体污染物、霉菌、动植物等作用下，互相结合的土体颗粒之间的结合力减弱或消失,颗粒间距加大以至脱落，使表面减薄、形貌改变，由此造成承载文化信息的表层破坏的现象。
处于湿润区、半湿润区的土遗址，常年遭受到地下水及暴雨、霉菌等的严重破坏，主要病害有土体泥化、酥碱、渗水掏蚀、遗址土体失稳定，而针对潮湿环境中潮湿状态的土遗址，水是影响土遗址稳定性的最关键因素，保护材料的选取应具有耐水和加固双重作用。
目前，鉴于土遗址有其特殊性，根据“不改变文物原状”的原则，考虑土遗址所在地区环境，结合土遗址的质地和病害，土遗址保护材料的选用或研制应具备以下几个方面的要求：①保护材料必须是无色的、无炫光，材料固化后不改变土遗址的原貌；②保护材料要黏度小，流动性强且可调，收缩性小，渗透性强，结合力适中，结构上与土质比较相近；③材料的具有一定的力学强度，有较好的抗风蚀能力；④材料透气性较好；⑤材料具有较好的耐候性；⑥材料施工工艺简单，便于施工；⑦材料具有一定的环保性。
近年来，针对我国不同区域、不同环境的土遗址的防风化加固保护材料及其工艺的研究较多，其中西北干旱、半干旱地区的土遗址的保护研究有所突破，而有关半潮湿、潮湿地区的土遗址保护的研究和工程实施均开展较少，如：
（1）公开日为2005年11月9日，公开号为CN1693588A的中国发明专利提出了一种土遗址加固剂与加固工艺，该加固材料主要是模数3.7-3.9、浓度5-10%的硅酸钾溶液，静压注浆渗透加固，注浆压力为0.3-1.0MPa；并对土体表面喷洒模数3.8-3.9、浓度5-7%的硅酸钾溶液，进行渗透加固，具有较好的抗风蚀和耐雨冲刷的效果。
（2）公开日为2008年12月24日，公开号为：CN101328411A的中国发明专利，提出了一种液态水硬性土遗址加固材料及加固方法，该加固材料主要由钙源溶液和硅源溶液，在水中发生水硬性反应生成硅酸钙胶结成分，实现对土遗址加固；
（3）公开日为2008年12月10日，公告号为：CN101318831A的中国发明专利，提出了一种用于高含水量的土遗址保护的固体晶体憎水材料及其制备方法，该材料主要由氯化镁、高镁矿粉、三氯化铁、复合添加剂、硫酸铝钾、硫酸铜等组成，适用于南方潮湿区土遗址加固；
（4）2011年1月5日，公开号为CN101935531A的中国发明专利，提出了一种适用于半湿润区的干燥、半干燥、潮湿环境条件下的黄土遗址防风化加固材料和加固的方法，包括在每1000毫升乙醇中溶解5～25克的草酸和1～15毫升磷酸制成的CB-Ⅰ号加固剂，在每2500毫升甲醇中溶解15～150克氢氧化钡制成的CB-Ⅱ号加固剂。使用CB-Ⅰ号加固剂和CB-Ⅱ号加固剂对黄土遗址采取的微量沉淀与吸附双重加固法，利用三步滴渗达到加固效果。
（5）2012年10月1日，公开号为CN102703089A的中国发明专利提出了一种潮湿环境下土遗址加固保护用有机硅改性复合材料及其制备方法，该加固材料主要是由正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、硅烷偶联剂、无水乙醇和水组成的改性有机硅材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半湿润或湿润区土遗址加固剂及加固方法，针对半湿润、湿润区潮湿环境土遗址，提供一种易于增强潮湿环境土遗址土体强度、增加土体透气性、渗透性好、抗盐化、防风化性能较优的加固材料，及采用该土遗址加固材料的加固方法，并得到适宜的加固效果。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种半湿润或湿润区土遗址加固剂，包括HYT-1加固剂、HYT-2加固剂和HYT-3加固剂；
所述HYT-1加固剂以纳米氢氧化钙、聚乙二醇为主要原料，以异丙醇为分散剂，超声震荡30min；
所述HYT-2加固剂以正硅酸甲酯为主要原料，以无水乙醇为溶剂，加入氨水，加热搅拌形成无色液体；
所述HYT-3加固剂是在异丁基三乙氧基硅烷中加入SCA-903型硅烷偶联剂，以无水乙醇为溶剂，加热搅拌，制成无色溶液；
作为本发明进一步的方案：所述HYT-1加固剂中纳米氢氧化钙、聚乙二醇和异丙醇用量配比为：3-5g：0.5-1.5g：900ml。
作为本发明进一步的方案：所述HYT-2加固剂中正硅酸甲酯、乙醇和氨水体积用量比例为35-55ml：125-225ml：5-10ml。
作为本发明进一步的方案：所述HYT-3加固剂中各组分体积比为：异丁基三乙氧基硅烷：SCA-903型硅烷偶联剂：无水乙醇=（5-15ml）：（15-35ml）：（150-225ml）。
作为本发明进一步的方案：采用质量分数为10%的氨水。
一种半湿润或湿润区土遗址加固剂的加固方法，步骤如下：
（1）选用HYT-1加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗350-450毫升HYT-1加固剂，渗透深度达8-12cm，干燥1-2天；
（2）选用HYT-2加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗550-650毫升HYT-2加固剂，渗透深度达8-10cm，干燥1-2天；
（3）选用HYT-3加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗150-250毫升HYT-3加固剂，渗透深度达5-8cm，干燥1-2天；
（4）重复步骤（1）、步骤（2）和步骤（3），如此循环进行3-4个循环，直至加固后的土体达到预期目标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种针对半湿润区、湿润区的潮湿环境下的土遗址加固剂及其加固方法，优点在于：①具备良好的渗透性，能够保持土体表面原貌；②使土体具备适宜的力学强度，具备较好的抗风化能力；③具有较好的耐水性，具备较好的抵御雨蚀能力，且具有一定的抗盐蚀能力，能够较好的适应半湿润区、湿润区的土遗址的环境。
附图说明
图1为未加固样品SEM图。
图2为本发明的加固保护剂加固土样SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
土样取自山东省滨州市沾化区古城镇沾化古城遗址的遗址土样，针对所取原状土样进行滴渗加固保护处理。选用的土遗址加固材料包括有HYT-1加固剂、HYT-2加固剂和HYT-3加固剂；
HYT-1加固剂的制备：取前期通过采用表面活性剂（SDS）诱导下的均相沉淀工艺制备好的纳米氢氧化钙粉体3-4.5g及聚乙二醇（PEG600）0.5-1.1g分散于900ml异丙醇中，加热搅拌均匀后，超声震荡30min，得到均匀分散体系液体；HYT-1加固剂是以纳米氢氧化钙、聚乙二醇为主要原料，以异丙醇为分散剂；
HYT-2加固剂的制备：取35-45ml正硅酸甲酯，溶于150-225ml乙醇溶液中，加入5-7ml氨水（质量分数为25%），并不断电磁加热搅拌30min至均匀，得到澄清液体；HYT-2加固剂是以正硅酸甲酯为主要原料，以无水乙醇为溶剂；
HYT-3加固剂的制备：取5-10ml异丁基三乙氧基硅烷及15-20ml SCA-903型硅烷偶联剂溶于150-190ml无水乙醇中，加热搅拌至均匀，得到无色透明液体。HYT-3加固剂是在异丁基三乙氧基硅烷中加入SCA-903型硅烷偶联剂，以无水乙醇为溶剂；
具体的加固方法，步骤如下：
（1）选用HYT-1加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗350-380毫升HYT-1加固剂，渗透深度达8-12cm，干燥1-2天；
（2）选用HYT-2加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗550-600毫升HYT-2加固剂，渗透深度达8-10cm，干燥1-2天；
（3）选用HYT-3加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗150-200毫升HYT-3加固剂，渗透深度达5-8cm，干燥1-2天。
（4）重复步骤（1）、步骤（2）和步骤（3），如此循环进行3-4个循环，直至加固后的土体达到预期目标。
实验例2
土样取自山东省淄博市临淄城区齐国故城遗址部分遗址土样，针对所取原状土样进行滴渗加固保护处理。选用的土遗址加固材料包括有HYT-1加固剂、HYT-2加固剂和HYT-3加固剂；
HYT-1加固剂的制备：取前期通过采用表面活性剂（SDS）诱导下的均相沉淀工艺制备好的纳米氢氧化钙粉体3.8-5g及聚乙二醇（PEG600）0.8-1.5g分散于900ml异丙醇中，加热搅拌均匀后，超声震荡30min，得到均匀分散体系液体；HYT-1加固剂是以纳米氢氧化钙、聚乙二醇为主要原料，以异丙醇为分散剂；
HYT-2加固剂的制备：取40-55ml正硅酸甲酯，溶于125-160ml乙醇溶液中，加入6-8ml氨水（质量分数为25%），并不断电磁加热搅拌30min至均匀，得到澄清液体；HYT-2加固剂是以正硅酸甲酯为主要原料，以无水乙醇为溶剂；
HYT-3加固剂的制备：取8-12ml异丁基三乙氧基硅烷及20-25ml SCA-903型硅烷偶联剂溶于180-220ml无水乙醇中，加热搅拌至均匀，得到无色透明液体。HYT-3加固剂是在异丁基三乙氧基硅烷中加入SCA-903型硅烷偶联剂，以无水乙醇为溶剂；
具体的加固方法，步骤如下：
（1）选用HYT-1加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗360-420毫升HYT-1加固剂，渗透深度达8-12cm，干燥1-2天；
（2）选用HYT-2加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗580-600毫升HYT-2加固剂，渗透深度达8-10cm，干燥1-2天；
（3）选用HYT-3加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗160-180毫升HYT-3加固剂，渗透深度达5-8cm，干燥1-2天。
实施例3
土样取自湖北省荆州古楚部分遗址土样，针对所取原状土样进行滴渗加固保护处理。一种半湿润区、湿润区土遗址保护加固剂，所述的土遗址加固材料包括有HYT-1加固剂、HYT-2加固剂和HYT-3加固剂。
HYT-1加固剂的制备：取前期通过采用表面活性剂（SDS）诱导下的均相沉淀工艺制备好的纳米氢氧化钙粉体4-4.5g及聚乙二醇（PEG600）1-1.4g分散于900ml异丙醇中，加热搅拌均匀后，超声震荡30min，得到均匀分散体系液体；HYT-1加固剂是以纳米氢氧化钙、聚乙二醇为主要原料，以异丙醇为分散剂；
HYT-2加固剂的制备：取35-55ml正硅酸甲酯，溶于125-185ml乙醇溶液中，加入8-10ml氨水（质量分数为25%），并不断电磁加热搅拌30min至均匀，得到澄清液体；HYT-2加固剂是以正硅酸甲酯为主要原料，以无水乙醇为溶剂；
HYT-3加固剂的制备：取10-15ml异丁基三乙氧基硅烷及25-35ml SCA-903型硅烷偶联剂溶于220-225ml无水乙醇中，加热搅拌至均匀，得到无色透明液体。HYT-3加固剂是在异丁基三乙氧基硅烷中加入SCA-903型硅烷偶联剂，以无水乙醇为溶剂；
具体的加固方法，步骤如下：
（1）选用HYT-1加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗390-450毫升HYT-1加固剂，渗透深度达8-12cm，干燥1-2天；
（2）选用HYT-2加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗620-650毫升HYT-2加固剂，渗透深度达8-10cm，干燥1-2天；
（3）选用HYT-3加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗210-250毫升HYT-3加固剂，渗透深度达5-8cm，干燥1-2天。
实验例
在实验室内选用适宜大小的环刀置于适宜大小的磨具中，制备标准尺寸（面积为30cm2、高度2cm）的原饼状土体试样，在自然环境中干燥5-6天时间，试样具备适度的密实度，试样的制备符合相关的国家质量标准。理想的土遗址化学加固材料应具备无色透明、稳定性好、渗透性强及适宜的抗压强度等特征。根据土遗址保护的特性要求，测试加固后土体的力学性能、外观色差、表面形貌观察（SEM）等分析手段测试土体的性能。
①力学性能测试
根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行测试。采用YYW-2型应变控制式无侧限压力仪，对比未经加固的土体试样及加固后的土体试样测试结果，依据抗压强度计算公式：P=10-2F/S，其中P为抗压强度（MPa）；F为屈服力总值（N）；S为试样面积（cm2），本次实验所用试样表面面积为30cm2。
表1不同试样抗压强度
样品编号 Fmax（N） Pmax（MPa）
空白对比样 6023.27 2.01
Sample1 7028.58 2.34
Sample2 6892.32 2.30
Sample3 5968.34 1.99
Sample4 7802.84 2.60
表1中Sample1为经HYT-1加固后的试样，Sample2为经HYT-2加固后的试样，Sample3为经HYT-3加固后的试样，Sample4为经HYT-1、HYT-2、HYT-3三种加固剂加固后的试样，通过抗压强度的测试可知，三种加固剂分别渗入和逐个滴加进土样后的抗压强度较空白试样均有所提高，且HYT-1及HYT-2加固后对土样强度的影响较大，而HYT-3加固后土样抗压强度与空白试样几乎相近。而经三种试剂共同作用后的土样抗压强度相对较高，且与空白试样相比强度提高较适宜，符合文物保护最小介于原则。
②色差测试：变化是指加固剂处理土样后应尽量不改变其颜色，文物保护材料的一个重要原则就是要求文物经过加固剂处理后 尽量没有颜色的变化，即颜色不能有明显的视觉差异。选用美能达CR400色差计，测试基于年国际照明委员会（CIE）颜色空间及其色差公式，即CIE1976LAB（或L*a*b*）系统，两次测量之间的总色差为△E，土体经HYT1、HYT-2及HYT-3三种加固剂加固后，待土样表面自然晾干，取三次测量平均值∑△E=1.86，其值小于3.0，很轻微变色，符合文物保护最小干预。
③渗透速度测试
渗透速度是指加固剂对土体渗透高度与时间的关系，加固剂通过毛细管力渗透到柱顶为止，每渗透到一定高度与所用时间的比值。渗透速度与土样的孔隙度有关，因此加固剂加固后，土样孔径应保持良好的原始孔径，否则堵塞土样孔径，加固剂不能有效的渗入土体，不能有效对不同深度的土样进行均一化的加固。
表2 不同试样渗透速度
表2中所述，三种加固剂由于所用溶剂主要为醇类，在土样的渗透速度相当，且初期渗透速度相对较快，随着溶剂携带加固的主要原料进入土体，随着时间的延长，有机和无机网络逐步形成网络结构，会堵塞部分土样孔径通道，渗透速度会有所降低。总体上，三种试剂对土样试样的渗透效果良好。
④透气性测试
透气性是指土样能流通水分的能力，加固剂应不明显改变土遗址的透气性，确保土样内部大孔隙未被加固堵住，使内部的水分能以流体水或水蒸气形式与体外交流，保证土遗址的自由呼吸。将加固后的标准土样盖在装有蒸馏水的500ml烧杯上，用石蜡封住接口，放置于恒定的温度、湿度的稳定环境中，一定时间（每隔一天）称量烧杯、蒸馏水、环刀试样的整体质量，计算失水量。
表3 各加固剂透气性测试数据表（g）
对比空白试样与不同加固试剂（Sample1为经HYT-1加固后的试样，Sample2为经HYT-2加固后的试样，Sample3为经HYT-3加固后的试样，Sample4为经HYT-1、HYT-2 、HYT-3三种加固剂加固后的试样）的失水率，看见经几种试剂加固后对土体的失水率改变不大，可见经有机-无机的网状结构加固后，土体的透气性能影响不大，符合文物保护最小干预原则。
⑤安定性测试
安定性试验是参照公路工程试验规程坚固性试验（T0212-94）方法，在试验中硫酸钠的浓度为5%，并记录试样形状变化，将加固后土样先在5%硫酸钠溶液中浸泡12小时，取出自然晾干12小时，完成一个循环，接着进行第二个循环，记录土样试样的变化情况。经HYT-1、HYT-2、HYT-3三种加固剂加固后的试样，经历一周时间的安定性循环，表面未出现开裂，而未经加固的空白试验，表面由于盐析作用开裂。因此，该保护试剂及加固方法，对土体具有一定的抗盐侵蚀的能力。
⑥加固后表面微观形貌表征
如图1-2，使用日立公司的S-570型扫描电镜，在低真空环境下，分别对标准土样土体加固后试样和未加固试样土体试样进行了表面形貌分析，在1000倍放大系数下，从图像可知加固过程对于土体的微观结构改变不大，由于土体中Si-0-Si键的增多，增强了颗粒间的连接，形成有机-无机网状结构，且土体中的大孔孔径未被堵塞，保证了土遗址的透气性，渗透性等性能，在宏观上表现为土体力学强度增强。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种半湿润或湿润区土遗址加固剂，其特征在于，包括HYT-1加固剂、HYT-2加固剂和HYT-3加固剂；
所述HYT-1加固剂以纳米氢氧化钙、聚乙二醇为主要原料，以异丙醇为分散剂，超声震荡30min；
所述HYT-2加固剂以正硅酸甲酯为主要原料，以无水乙醇为溶剂，加入氨水，加热搅拌形成无色液体；
所述HYT-3加固剂是在异丁基三乙氧基硅烷中加入SCA-903型硅烷偶联剂，以无水乙醇为溶剂，加热搅拌，制成无色溶液。
2.根据权利要求1所述的半湿润或湿润区土遗址加固剂，其特征在于，所述HYT-1加固剂中纳米氢氧化钙、聚乙二醇和异丙醇用量配比为：3-5g：0.5-1.5g：900ml。
3.根据权利要求1所述的半湿润或湿润区土遗址加固剂，其特征在于，所述HYT-2加固剂中正硅酸甲酯、乙醇和氨水体积用量比例为35-55ml：125-225ml：5-10ml。
4.根据权利要求1所述的半湿润或湿润区土遗址加固剂，其特征在于，所述HYT-3加固剂中各组分体积比为：异丁基三乙氧基硅烷：SCA-903型硅烷偶联剂：无水乙醇=（5-15ml）：（15-35ml）：（150-225ml）。
5.根据权利要求1所述的半湿润或湿润区土遗址加固剂，其特征在于，采用质量分数为10%的氨水。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的半湿润或湿润区土遗址加固剂的加固方法，其特征在于，步骤如下：
（1）选用HYT-1加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗350-450毫升HYT-1加固剂，渗透深度达8-12cm，干燥1-2天；
（2）选用HYT-2加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗550-650毫升HYT-2加固剂，渗透深度达8-10cm，干燥1-2天；
（3）选用HYT-3加固剂逐渐缓慢滴渗土遗址保护区域，每1000cm3遗址土体需要滴渗150-250毫升HYT-3加固剂，渗透深度达5-8cm，干燥1-2天；
（4）重复步骤（1）、步骤（2）和步骤（3），如此循环进行3-4个循环，直至加固后的土体达到预期目标。
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