CN110646566A

CN110646566A - 一种用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法

Info

Publication number: CN110646566A
Application number: CN201910913830.6A
Authority: CN
Inventors: 卢训
Original assignee: Zunyi Hailongtun Cultural Heritage Administration
Current assignee: Zunyi Hailongtun Cultural Heritage Administration
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-01-03

Abstract

本申请石材和石质文物保护技术领域中一种用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法：包括：步骤一、采集数据：采集相关数据，为室内环境模拟提供数据支持；步骤二、样本的选择：选择遗址内掉落的砖石和遗址建造初期采石场的新鲜岩块制样作为两组供试样本备用；步骤三、加固材料的选择：选择水硬性石灰和各种添加剂按照不同比例制成加固材料；步骤四、将步骤三的加固材料分别作用在步骤二的供试样本上得到修复样本，放置到室内进行抗风化实验模拟，结合水岩作用、水盐作用和温度作用下的风化机理进行研究，选择适宜该遗址的加固材料。找到适宜不同遗址使用的加固材料。

Description

一种用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法

技术领域

本发明涉及石材和石质文物保护技术领域，具体涉及一种用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，主要是用于海龙屯遗址砖石风化加固材料的判别方法。

背景技术

砖石类建筑文物风化问题一直是不可移动类文物保护工作中的主要难题。由于不能像其它文物那样移到室内，这些文物必然要受到自然界各种不利因素的破坏。虽然世界各国的科学家们为保护这些文物做了大量工作，但风化问题依然十分严峻。比较典型的是埃及的金字塔和狮身人面像，由于保护工作难以解决，直到上世纪末每年由于风化造成几个厘米厚度的剥落。还有遍布欧洲许多地方的教堂遗址、石质雕像等文物，其表部材料(砖石类)的风化问题仍是许多研究学者关注的焦点问题。我国砖石类建筑文物较多，诸如石窟、古墓葬、石碑石刻，古建筑中砖石结构也占了相当的比重，总的来说砖石类建筑文物的量十分庞大，而且现在大都风化十分严重。在过去的近二十年中，我国陆续对麦积山石窟、敦煌莫高窟、乐山大佛、大足石刻等施行了大规模的保护工程，取得了令世人瞩目的成就。但就总的情况来看，要完全解决风化问题还有很长的路要走。因为目前人们对砖石类建筑文物风化机理的认识方面尚未得到进一步深化。风化机理及影响因素的定量研究方面尚缺少相关研究文献。这在很大程度上制约了具有针对性工程措施的大规模实施，给文物保护工程领域造成极大的障碍。

研究表明，砖石类建筑文物的风化主要包括物理风化，化学风化和生物风化。物理风化作用主要包括水对砖石的润滑、软化和泥化作用，干湿循环和冻融循环作用，温度梯度造成的应力差异效应，盐分结晶造成的膨胀压力效应等。化学风化作用则包括溶解、水化、水解、酸化和氧化等过程。生物风化则主要涉及到生物在生长代谢过程中对砖石产生的破坏作用，如根劈作用，有机酸物质对岩土体的腐蚀作用等。海龙屯遗址所在区域，降水量较大，水在砖石风化过程中起着非常关键的作用。水岩相互作用下，非崩解性岩石力学性质的劣化机理可主要归结为内部胶结物质的溶蚀导致颗粒间的粘结减弱。而被溶解的矿物将使更多的水填充裂隙，加速对微裂纹尖端的冲蚀，并增加尖端的应力，助长劣化的进一步发展，尤其在较大的水力梯度下，水岩相互作用更加明显。同时，劣化后的岩石内部结构发生改变，将导致水质、流速、水力梯度等发生相应变化，从而促进水岩相互作用的进行。对于崩解性岩石，劣化机理还与吸水时岩石内部空气受到挤压，导致其压力上升有关。对于低温环境(低于0℃)，岩石的劣化机理可主要归结为各组成矿物的膨胀系数不同，胀、缩不均以及水结冰产生的膨胀压力，致使岩石内部结构改变。因此，水岩相互作用的强弱将受到岩石微观结构、矿物成分、水文地质环境等因素的综合影响。

水除了参与对砖石的软化、侵蚀、冻融膨胀破坏以及改变砖石赋存的水文环境之外，其另一关键作用变现为对盐分的搬运迁移和累积结晶。海龙屯遗址所在区域内6至9月属于丰水期，降水较多，雨水顺着裂隙运动，溶解大量的矿物质盐分，在后期随着水分的不断蒸发，砖石内部的盐分随着水分不断向表部聚集，导致砖石表面或表层富集大量的可溶盐，形态为结晶状、粉末状或纤维状，挤压岩壁，助长崩裂。使得砖石表面发生微裂隙或表层鼓起，造成砖石呈颗粒状鳞状剥蚀等风化破坏。盐分的累积结晶导致的孔隙材料劣化，理论上认为主要是由3方面的原因引起的：结晶压力，即蒸发作用导致溶液发生过饱和作用，溶液中的可溶盐结晶并对孔隙或裂隙内壁产生膨胀压力；水合压力,即部分可溶盐遇水发生水合作用而膨胀,对孔隙或裂隙内壁产生膨胀压力；温差应力，即可溶盐与不可溶岩石矿物的热膨胀系数存在差异，在快速升温或降温过程中岩石晶体之间产生温差应力。盐类结晶导致的岩土体风化通常称之为盐害现象，,但不同学科有不同的名称。地质学一般将盐害归入物理风化过程进行研究。天然石材耐久性研究一般借鉴岩石学的方法,也归入物理风化过程开展研究。建筑行业一般将砖石表面形成白色盐斑的现象统称为盐华。中国文物保护人员将壁画的盐害现象称之为酥碱或按照盐害导致的壁画破损形式进一步命名为粉化、脱落等。尽管岩石、砖石、混凝土、泥质壁画等材料在性能方面存在很大的差异，但是它们都属于孔隙介质，发育彼此联通的毛细孔隙体系。分析不同孔隙材料的盐害现象，探讨水盐迁移与盐类风化之间的关系，提炼其中的物理力学本质，有助于提高对岩土体盐害的认识水平，从而为从根本上解决多孔材料的盐害问题提供科学理论依据。

暴露于天然环境下的大型不可移动文物，常常会经历较为剧烈的日温差变化。因此，热劣化在文物遗址的劣化过程中起着不可忽略的作用。但是长期以来，温度作用一直被当作是一种辅助的影响因素，并没有引起应有的重视。实际上，砖石类建筑文物的温度监测数据已经比较系统。很多学者提出强烈的温度变化是引起露天岩土质文物遗址破坏的原因之一，但对文物本身的热物理性质以及自身温度场的研究依然较少。岩土质建筑遗址的热劣化是指在处于变化复杂的外部环境下，因本体热学性质发生改变或在热量传递的过程中，所产生的物理和化学等方面不可逆的破坏。考虑到露天岩土质遗址所处的自然环境和热传递的三种基本方式(热传导、热对流和热辐射)，导致露天岩土质遗址热劣化外因包括太阳辐射强度、降雨、风速等，内因包括本体的材料特性、导热系数、对流换热系数、吸光系数等。从热学角度来看，岩土质遗址的热学现象表现为温度和温度梯度的变化，因此温度是导致遗址热劣化的重要影响因素，因为温度变化会引起材料的不均匀膨胀和表面与内部结构之间的拉应力。温度循环会产生交变的热应力，引起机械风化并加速材料的疲劳破坏：循环越快，材料内部的温度梯度越大，热波在材料内部传播的越剧烈，应力越大，表层的老化和破坏产生的越快。因此温度的日循环比季节性循环对热劣化的贡献要重要的多。膨胀机理对结构稳定性也很重要。微观上，温度循环可能引起表面的机械分散，以不同矿物之间的接触面的断裂为开始。晶格的热学各向异性、颗粒的尺寸和空间结构决定了系统的内张力，导致颗粒的表面出现分散性，颗粒越大，张力越大，劣化的越快。

当前在文物保护领域，针对于砖石类文物抗风化保护加固技术的研究主要分为两大方向：一个方向是新技术新材料的应用与研发方面，另一方面是传统材料和工艺的开发。由于新材料和新工艺的产生时间较短，因此在文物保护领域通常缺乏耐久性方面的论证和相关研究，因此这些材料和工艺的研发更注重于技术的积累和储备；而对于目前亟需保护加固的重要文物，传统材料和相关工艺的需求变得更为迫切。砖石类等岩土质文物的加固保护更应高度重视传统工艺和材料的应用。将传统方法应用于岩土类文物的加固保护体现了文物保护的和谐统一。纵观文物加固保护的大多数实例，无论是从加固的效果还是对文物本体长期保存来看，传统工艺与材料应用于文物保护应当是第一选择，但传统工艺与材料的理论研究及加固保护应用都相对滞后，远远不能满足岩土类文物加固保护的要求。因此，需要将传统加固技术方法研究提升到新的高度，所以选择合适的传统加固材料以适应不同环境下的砖石类文物的加固需求才是目前迫切要解决的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，以针对不同气候条件下的文物砖石选择更合适的加固材料。

本发明的一种用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，包括以下几个步骤：

步骤一、采集数据：选择检测设备，对遗址的气象环境、温湿度环境、水文环境和风力条件的指标进行监测和采集，为室内环境模拟提供数据支持；

步骤二、样本的选择：选择遗址内掉落的砖石和遗址建造初期采石场的新鲜岩块制样作为两组供试样本备用；

步骤三、加固材料的选择：选择水硬性石灰和各种添加剂按照不同比例制成加固材料；

步骤四、将步骤三的加固材料分别作用在步骤二的供试样本上得到修复样本，放置到室内进行抗风化实验模拟，结合水岩作用、水盐作用和温度作用下的风化机理进行研究，选择适宜该遗址的加固材料

本发明的工作原理及有益效果：本发明的试验方法，基于不同遗址的气象环境、温湿度环境、水文环境和风力等的不同，通过实验室模拟风化环境，采集遗址内掉落的砖石和遗址建造初期采石场的砖石作为供试样本，通过常规的水硬性石灰与不同添加剂配合制成的加固材料对供试样本进行粘接和修复，并置于实验室中进行抗风化实验，研究不同加固材料修复后的抗风化程度，在与水岩作用、水盐作用和温度作用下的风化机理进行研究，找到适宜不同遗址使用的加固材料。

关于对水硬性石灰材料的研究，国外学者相关研究成果较多，并主要集中材料的物质成分分析、物理力学性能和影响因素、碳化作用以及对材料进行改性提高等几个方面。水硬性石灰材料的物质成分分析方面，初期人们主要借鉴水泥工业方面的一些测量方法，比如电子显微镜法、Bogue法等。随着研究的不断深入，研究人员发现，上述这些测定方法对经过高温焙烧的水硬性石灰材料并不适用，因此人们后来将X射线衍射法引入到该材料的物质成分定量测试中，并对该方法进行了一定的改进。Pavía等人研究了天然水硬性石灰材料中团聚体的形状、粒径范围、方解石含量等对材料强度、孔隙率、吸水率、基质吸力、密度等所产生的影响。Lanas等人研究了天然水硬性石灰材料的力学强度特性，指出团聚体特性和孔隙度是影响其力学强度的主要因素。Adel等人研究了脱水作用对天然和人工制作的水硬性石灰材料的力学强度和微结构产生的影响，研究结果发现，脱水可以在一定程度上增加两种材料的抗压强度。如果将其作为灌浆材料，那么水硬性石灰材料的流变性也是值得考虑的重要方面。Eriksson等人通过连续监测数天内灌浆材料的流变性能参数，指出环境和材料中水的温度是影响其流变性能的重要参数之一。Casanova等人也展开相关研究，得到相似的结果。此外，影响材料性能的因素还包括诸如初始含水量、混合搅拌时间等因素。石灰材料的碳酸化作用一直是研究人员关注的焦点，碳酸化作用会增加材料的强度，但同时也会使材料产生变形，严重的甚至会产生裂缝。当石灰材料固化后成为建筑的某一部分时，其耐久性同样也与碳酸化作用密切相关。石灰材料的碳酸化过程受众多因素的影响，诸如空气相对湿度、温度、CO₂浓度、材料物质成分等。Shih等人研究发现，如果空气湿度超过8％，Ca(OH)₂便不能与CO₂反应生成CaCO₃。碳酸化过程的产物通常是方解石或文石(CaCO₃)，并且该过程一般持续时间很长，甚至能达到数个世纪。随后研究人员又考虑在水硬性石灰材料中添加一些添加剂(比如添加粉煤灰材料、有机材料等)以期提高该材料的某些性能(诸如降低材料的失水收缩变形特性、提高力学强度以及耐碳化性能等)。Ana Bras等人研究了粉煤灰作为添加剂加入到水硬性石灰中，将混合物作为灌浆加固材料对其特性进行了研究，研究发现添加不同配比的粉煤灰，能显著改变水硬性石灰的参数，并且这一变化随着温度条件的变化而呈现显著不同。另外，由于与水硬性石灰材料颗粒相比，粉煤灰颗粒粒径更小，这样两者混合能显著减小材料的孔隙度，从而在一定程度上提高混合材料的耐久性。Ventolà等人向石灰材料中添加有机材料，研究发现，添加动物胶能显著提高石灰材料的强度，添加植物性多聚糖材料能增加石灰材料的耐碳化性，而添加动物性油脂则能减小石灰材料的孔隙度。

由于不同加固材料在不同环境下的抗风化能力不一，所以进行模拟研究是必要的，也是为了通过不同加固材料在模拟环境中的抗风化能力的评价，同时为了减少不同风化程度对加固材料造成噪音干扰，补充建造初期的采石场的材料也作为供试样本，以此获得适合于不同遗址砖石的加固材料，为遗址的保护提供有力的支持。

同时在本发明中，为了很好的研究抗风化的机理，结合水岩作用、水盐作用、温度作用和风力作用下风化机理研究作为数据支撑和参考，同样为遗址的保护提供有力的支持。

进一步，步骤四的水岩作用的研究为：对修复样本的物质成分进行分析，重点对膨胀性、可溶性矿物成分以及胶结物成分进行分析测试，对不同含水量、干湿循环、冻融循环条件下修复样本的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量等指标进行测试，对比分析不同条件下各参数变化规律及内在机制，利用CT扫描、孔隙微观测量、扫描电镜的试验技术手段，对水的化学溶解、矿物的膨胀性、离子交换吸附对修复样本的化学溶蚀和劣化机理进行分析。

进一步，步骤四的水盐作用的研究为：分析研究盐溶液在修复样本中的运移规律，包括运移速度、盐分聚集区域分布特征、不同浓度盐溶液在砂岩中的渗透系数，利用压汞仪分析盐分结晶前后试样的孔隙结构特征及分布规律，利用扫描电镜微观观测结晶前后修复样本的结构特征及盐分颗粒的分布规律，从宏观和微观两个视角，并基于岩土力学理论和结晶膨胀理论，分析并阐明修复样本中盐分的结晶膨胀与砖石的破坏机理。

进一步，步骤四温度作用的研究为：对修复样本进行不同温度条件下的养护，然后对其进行波速特征、抗压强度、破坏形态以及损伤特性的测试，分析和讨论温度变化对各参数影响；利用CT扫描、SEM扫描电镜微观试验技术手段，从微观视角分析和讨论修复样本在温度影响下微裂隙分布与发育规律、内部结构随温度的变化规律。

以上为修复样本水岩作用、水盐作用以及温度作用下的研究是为了加固材料的选择提供数据参考，上述研究的方法为现有技术，再次不做赘述。

优选的，步骤三中所述水硬性石灰和添加剂的重量比为100：0～10。

优选的，所述添加剂包括粉煤灰、动物胶、植物多聚糖、聚丙烯纤维或者甲基纤维素醚中的一种或者多种。

加入上述添加剂后，可以显著提高加固材料的耐久性、强度、耐碳化性或者粘接性，有的添加剂还能明显减小孔隙度。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

本发明选择遵义海龙屯土司遗址墙体及基础的砖石类材料作为研究对象，供试样本1为遗址内掉落的砖石，供试样本2为遗址建造初期采石场的新鲜岩块制样，水硬性石灰、粉煤灰、动物胶、植物多聚糖、聚丙烯纤维和n为市售购买。

选择水硬性石灰单独作为加固材料，与水制浆后分别作用在供试样本1和供试样本2上得到修复样本Ⅰ-1和修复样本Ⅱ-1。

选择水硬性石灰和粉煤灰作为加固剂，按照水硬性石灰和粉煤灰的重量比100:1、100:2、100:3、100:4、100:5、100:6、100:7、100:8、100:9、10:1与水制浆后分别作用在供试样本1上，得到修复样本Ⅰ-2～修复样本Ⅰ-11；分别作用在供试样本2上，得到修复样本Ⅱ-2～修复样本Ⅱ-11。

选择水硬性石灰和动物胶作为加固剂，按照水硬性石灰和动物胶的重量比100:1、100:2、100:3、100:4、100:5、100:6、100:7、100:8、100:9、10:1与水制浆后分别作用在供试样本1上，得到修复样本Ⅰ-12～修复样本Ⅰ-21；分别作用在供试样本2上，得到修复样本Ⅱ-12～修复样本Ⅱ-21。

选择水硬性石灰和植物多聚糖作为加固剂，按照水硬性石灰和植物多聚糖的重量比100:1、100:2、100:3、100:4、100:5、100:6、100:7、100:8、100:9、10:1与水制浆后分别作用在供试样本1上，得到修复样本Ⅰ-22～修复样本Ⅰ-31；分别作用在供试样本2上，得到修复样本Ⅱ-22～修复样本Ⅱ-31。

选择水硬性石灰和聚丙烯纤维作为加固剂，按照水硬性石灰和聚丙烯纤维的重量比100:1、100:2、100:3、100:4、100:5、100:6、100:7、100:8、100:9、10:1与水制浆后分别作用在供试样本1上，得到修复样本Ⅰ-33～修复样本Ⅰ-41；分别作用在供试样本2上，得到修复样本Ⅱ-32～修复样本Ⅱ-41。

选择水硬性石灰和甲基纤维素醚作为加固剂，按照水硬性石灰和甲基纤维素醚的重量比100:1、100:2、100:3、100:4、100:5、100:6、100:7、100:8、100:9、10:1与水制浆后分别作用在供试样本1上，得到修复样本Ⅰ-43～修复样本Ⅰ-51；分别作用在供试样本2上，得到修复样本Ⅱ-42～修复样本Ⅱ-51。

每个样本为10组。

将上述1020个样本放入实验室中，根据卫星、温度监控、湿度监控以及风力检测以及结合当地的气候环境，模拟海龙屯当地的气候条件养护一段时间后，再结合温度试验、冻融循环进行抗风化试验，修复样本开始产生裂缝甚至断裂，待经过上述试验后只剩余5～10个较完整的修复样本时，停止试验，上述剩余样本为抗风化性能最优的样本。

重新制备上述5～10个编号的修复样本，将新制备的修复样本进行水岩作用的研究、水盐作用的研究和温度作用的研究。

包括对修复样本的物质成分进行分析，重点对膨胀性、可溶性矿物成分以及胶结物成分进行分析测试，对不同含水量、干湿循环、冻融循环条件下修复样本的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量等指标进行测试，对比分析不同条件下各参数变化规律及内在机制，利用CT扫描、孔隙微观测量、扫描电镜的试验技术手段，对水的化学溶解、矿物的膨胀性、离子交换吸附对修复样本的化学溶蚀和劣化机理进行分析。

包括分析研究盐溶液在修复样本中的运移规律，包括运移速度、盐分聚集区域分布特征、不同浓度盐溶液在砂岩中的渗透系数，利用压汞仪分析盐分结晶前后试样的孔隙结构特征及分布规律，利用扫描电镜微观观测结晶前后修复样本的结构特征及盐分颗粒的分布规律，从宏观和微观两个视角，并基于岩土力学理论和结晶膨胀理论，分析并阐明修复样本中盐分的结晶膨胀与砖石的破坏机理。

包括对修复样本进行不同温度条件下的养护，然后对其进行波速特征、抗压强度、破坏形态以及损伤特性的测试，分析和讨论温度变化对各参数影响；利用CT扫描、SEM扫描电镜微观试验技术手段，从微观视角分析和讨论修复样本在温度影响下微裂隙分布与发育规律、内部结构随温度的变化规律。

基于上述研究数据，再根据剩余修复样品编号对应的加固材料的配方，获得最适宜海龙屯遗址砖石的加固材料，为后续的文物保护提供借鉴。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，其特征在于；包括以下几个步骤：

步骤四、将步骤三的加固材料分别作用在步骤二的供试样本上得到修复样本，放置到室内进行抗风化实验模拟，结合水岩作用、水盐作用和温度作用下的风化机理进行研究，选择适宜该遗址的加固材料。

2.根据权利要求1所述的用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，其特征在于：步骤四的水岩作用的研究为：对修复样本的物质成分进行分析，重点对膨胀性、可溶性矿物成分以及胶结物成分进行分析测试，对不同含水量、干湿循环、冻融循环条件下修复样本的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量的指标进行测试，对比分析不同条件下各参数变化规律及内在机制，利用CT扫描、孔隙微观测量、扫描电镜的试验技术手段，对水的化学溶解、矿物的膨胀性、离子交换吸附对修复样本的化学溶蚀和劣化机理进行分析。

3.根据权利要求1所述的用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，其特征在于：步骤四的水盐作用的研究为：分析研究盐溶液在修复样本中的运移规律，包括运移速度、盐分聚集区域分布特征、不同浓度盐溶液在砂岩中的渗透系数，利用压汞仪分析盐分结晶前后试样的孔隙结构特征及分布规律，利用扫描电镜微观观测结晶前后修复样本的结构特征及盐分颗粒的分布规律，从宏观和微观两个视角，并基于岩土力学理论和结晶膨胀理论，分析并阐明修复样本中盐分的结晶膨胀与砖石的破坏机理。

4.根据权利要求1所述的用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，其特征在于：步骤四温度作用的研究为：对修复样本进行不同温度条件下的养护，然后对其进行波速特征、抗压强度、破坏形态以及损伤特性的测试，分析和讨论温度变化对各参数影响；利用CT扫描、SEM扫描电镜微观试验技术手段，从微观视角分析和讨论修复样本在温度影响下微裂隙分布与发育规律、内部结构随温度的变化规律。

5.根据权利要求1～4任一所述的用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，其特征在于：步骤三中所述水硬性石灰和添加剂的重量比为100：0～10。

6.根据权利要求5所述的用于遗址砖石抗风化加固材料的试验方法，其特征在于：所述添加剂包括粉煤灰、动物胶、植物多聚糖、聚丙烯纤维或者甲基纤维素醚中的一种或者多种。