土遗址化学加固效果评价试验研究

第1章 土遗址病害类型及化学加固方法

    1.1 土遗址病害类型
   土遗址是以土为建筑材料的不可移动文物，它的保存时间长短和完好程度与土体性质和所处的环境密切相关。由于气候变化与人为活动的影响，土遗址正不断遭受着各种病害的破坏。目前，针对土遗址的病害类型的划分方法还没有形成统一的标准，常见的分类方式包括两种：按破坏形式分类与按破坏成因分类。按破坏形式，土遗址的病害类型可分硕士生毕业论文格式为：剥蚀、掏蚀、坍塌、裂隙、冲沟、粉化与污染等。由于土遗址的破坏形式多种多样，而且相似的破坏形式，可能由不同的因素引起。因此，一些研究人员建议采用成因分类方法，按照成因划分病害类型，再根据病因采取保护措施，即所谓知其因果而护之。土遗址处于特定的环境中，环境的变化必然会影响到遗址土体，因此，遗址的环境因素是影响遗址发生病害的主要原因。环境因素主要包括风、雨、温度、湿度、可溶盐、降尘、地震、生物和人为活动等。因此，按成因类型，可将病害划分为：风蚀破坏、雨蚀破坏、冻融破坏、温差破坏、干湿破坏、盐析破坏硕士研究生毕业论文格式、降尘污染、地震破坏、生物风化和人为破坏。

        1.1.1 风蚀破坏
   风蚀破坏指风对遗址表面物质的侵蚀作用，包括吹蚀作用和磨蚀作用。吹蚀作用是指：土遗址表面物在风吹动下脱离原位的过程。风吹蚀作用与风速、土颗粒大小和松散程度有关。通常风速越大，风的动硕士论文发表格式能越大，传递给土颗粒的能量就多，土颗粒则容易被吹动。磨蚀作用是指：风吹起的砂粒对遗址表面产生的撞击与摩擦作用。洁净的风（不含沙）对遗址的吹蚀作用很小，但是风如挟沙形成挟沙气流，则以其所携带的沙土颗粒为工具，对遗址表面会产生巨大的冲击力和摩擦力，如交河故城一年被吹走平均 13cm 厚的土。室外土遗址在风沙侵蚀下，易形成风蚀槽洞、棒槌墙等形貌。风蚀作用常发生于遗址土表面强度薄弱部位，如雨蚀泥皮裂缝、盐析破坏或裂隙发育处。这些地方土颗粒的粘聚力相对较低，起风时首先遭受风蚀破坏。因此可以通过提高遗址表面强度降低室外土遗址风蚀破坏。

        1.1.2 雨蚀破坏
   雨蚀是指降雨对遗址造成的侵蚀破坏，主要包括表面侵蚀和内部浸湿软化破坏。其中表面侵蚀有雨滴溅蚀和雨水冲蚀破坏，雨滴溅蚀形成溅蚀小坑，当暴雨发生时，雨滴大、动能大、溅蚀作用强烈，因此室外土硕士论文提纲格式遗址在经历一场暴雨之后，如同被剥掉一层皮，这种强大的暴雨往往造成露天遗址巨大的表土侵蚀。冲蚀主要有墙面冲刷和地表冲沟。墙面冲刷是在雨滴溅蚀和雨水的浸泡下，部分土颗粒之间失去胶结作用，表层土变得松散，这些土颗粒在水流的冲刷下向下移动，使墙体露出新的土面。冲刷常发生于墙体上部，而墙体下部会发生泥浆积淀。在降雨后期，随着雨水减缓，墙面上部含有土颗粒的流水在向下流动过程中渗入墙体，而土颗粒在留在表面，形成条纹状结，结皮风化后剥落。冲沟则发生在雨水中后期，当土表层水分达到饱和时，会形成泥浆，泥浆颗粒阻塞孔隙雨水下渗受阻。雨水在土表面汇集形成径流，径流携带崩解土粒沿遗址表面流动，冲刷表层土，形成小沟侵蚀的形状，且小沟一旦发育，其汇水能力增大，冲沟将不断扩大，最后发展成为沟状侵蚀，如高昌故城在降雨后地面冲沟发育。内部浸湿是指土体浸湿软化后导致的坍塌破坏。雨水浸泡软化土体主要是因为水破坏了土颗粒间的胶结作用，降低土体强度。降雨造成的破坏是在短时间内形成的，它对室外土遗址有很大的破坏力。雨蚀一直是露天土遗址保护面临的难题，因为土遗址面积通常较大，如交河、高昌故城绵延几公里，在目前的经济条件下不可能进行室内保护，因此需要在了解雨蚀机理的基础上寻求其他适合的方法。本人认为防止雨蚀主要从两个方面入手，一是提高遗址土表面硬度以抵抗雨滴溅蚀和流水冲蚀；其次是做表面防水排水处理，防止或减少雨水浸入土体。根据土遗址的具体情况，来寻找解决问题的方法，减小降雨造成的破坏，在可行的情况下达到最好的保护效果。

        1.1.3 干湿破坏
  干湿破坏是指遗址土体在干燥或潮湿变化过程中，土体收缩或膨胀继而引发破坏性变化，如干裂、结皮、粉化等。土体失水收缩可能会发生干裂。干裂破坏遗址土体完整性，降低土体强度且使内部土直接暴露于环境中，加速了遗址风化。干裂破坏在土遗址中较为多见，如洛阳定鼎门等遗址，在发掘后均有干裂现象发生。结皮是因表面土经历明水，如降雨、河水或其他明水浸泡之后干燥形成的。在明水作用下遗址表面土崩解产生的细小颗粒填塞土孔隙，造成表面饱和继而形成泥浆，泥浆覆盖土表层形成泥膜。泥膜的中细粒含量较多，干燥形成的结皮结构致密，具有较高的密实度、重度，在干燥过程中泥膜干燥结皮开裂。如图 2-9显示一次降雨后在地表形成的结皮。粉化是因为表面土直接受到大气湿度的影响，其干湿变化较为频繁，这种干缩湿胀使露在外层的土颗粒间的胶结作用减弱甚至失去胶结作用而逐渐脱离土体，在长时间的干湿循环过程中，表层土不断剥落形成粉末，即粉化（图 2-10）。粉化是表层土的通病，因此要控制空气湿度变化，使其在一定限度内保持稳定，才能降低粉化速度。埋藏于地下的土遗址经历了漫长的岁月变迁仍能保留下，说明地下的湿度环境对遗址保存有利，而挖掘之后土遗址暴露出来。处于开放的外部环境中，土的湿度难以控制，降雨、地下水、空气中水分都会影响土的湿度变化。因此，在进行挖掘工作时就要采取保护措施，避免土的湿度大范围的变化。而对于已挖掘出得遗址，控制土湿度变化的关键是防止水的进入，如使用遮罩覆盖的方式都可在一定程度上减少遗址土的干湿破坏。

        1.1.4 冻融破坏
   冻融破坏是指遗址土体由于温度在零度上下变化而产生冻结和融化的一种侵蚀作用和现象。冻融过程是土中水结冰体积膨胀，使得土颗粒之间距离增大，但由于冰能起到粘结作用，所以看不出较大的变化，当温度回升，冰转化成水，土颗粒之间的粘结不再，土体就会散落。因此冻融改变了土体原有三相平衡状态，破坏土的微观结构，降低土体强度，导致土质疏松。我国北方的气候条件决定了土遗址易受冻融破坏，通过使用拒水材料或隔水处理阻止外界水分进入土体，以降低冻融破坏程度。再者可控制环境温度，例如汉阳陵和定鼎门遗址，安装室内空调，调节气温使其温度在冬季保持在 0℃以上，避免了土体发生冻融破坏。

       1.1.5 温差破坏
   温差破坏是指因温度变化，遗址土体不均匀的热胀冷缩促使表层土发生风化破坏的现象。土是一种不良导热体，当遗址表层温度变化时，遗址内部土体温度变化有滞后性，于是在表层与内部土壤之间形成温度梯度差，外表温度越高，梯度差值越大。温度的差异使土体膨胀程度不同，在表层土与下覆土之间产生变形应力。经历多次温差循环，土材料出现热应力疲劳，在土粒胶结薄弱部位先发生断裂，裂纹扩展贯通使表层土呈现片状，并在长期的温差循环，薄片状土最终剥离遗址土体，露出新鲜的土层，经受新一轮的破坏。我国西北地区年温差变化大如交河故城该地区的年温度变化在-30℃～70℃左右，且阳光直射遗址，土体表面日温差变化比气温变化还要大（孙博，2009）。不均匀的热胀冷缩促使土遗址墙体表层风化、开裂、脱落，因此，温差是一个不可忽视的因素。

        1.1.6 盐析破坏
   盐析破坏是指在土中盐分运移并反复溶解—结晶变化下，遗址土发生的表面土剥离和粉化的现象。它是土遗址常见病害，因为土中含有大量的可溶性盐类，如硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐等，这些可溶盐溶于水后，随毛细水移动，当外界作用使土体水分不断蒸发时，毛细孔水携带盐分就会向遗址表层运移，待水蒸发后，盐分在土颗粒之间结晶析出。盐结晶产生的膨胀力会产生劈裂作用破坏表层土颗粒之间的胶结。在盐分的结晶、溶解反复作用下．土体结构不断疏松，严重者产生粉化现象。盐析的产生离不开水，因此在地下水位较浅的地方，常见遗址表层有盐析泛白现象；此外室外遗址中墙体下部常有盐析发生，也是因降雨溶解上部土中盐分运移至下部，水分蒸发后，盐分墙体在表面富集，导致墙体土出现剥离粉化掏蚀墙基，严重时墙体失稳倒塌。因此，要控制盐析破坏，就要减少土体内部水分向外蒸发，可以通过隔绝地下水和表层防水处理减少土中水的来源或者增加土颗粒间粘结力的方式来降低盐析破坏。

        1.1.7 降尘污染
   降尘污染是指空气中尘埃、飞絮等漂浮物和空气中的氮、硫氧化物及水汽结合降落在遗址表面，使遗址外观变得模糊的一种病害现象。降尘污染在土遗址中普遍存在，夹杂其他飘落物的粉尘覆盖在遗址表层，大大降低了遗址的观赏性，如秦兵马俑坑、定鼎门、天子驾六遗址等由于降尘污染，遗址表面变成灰色，轮廓模糊。半坡遗址周边有棉织厂中，灰尘和棉绒一起覆盖在土体表层，给人一种杂乱破落之感。如果频繁的清理粉尘也会破坏遗址表面土，因此粉尘污染是室内土遗址面临的难题。

        1.1.8 地震破坏
   地震破坏是指地震发生时遗址土体发生开裂、坍塌等现象。我国是多地震国家之一，发生在我国的大地震具有强度大、频率高、震源浅的特点，以土为建筑材料的遗址建筑抗震性能很差，因此发生地震时，遗址常会发生严重破坏。我国历史上几次大地震对土建筑造成巨大的破坏，地震后，遗址裂缝发育，城墙倒塌，因此地震是一个不可轻估的因素。考古人员在研究西安蓝田仰韶文化遗址，发现遗址存在文化层断裂错位以及窖穴大块崩塌等迹象，还有地震时易出现的沙脉现象，钻探与地层剖面也都证实下层有细沙普遍存在。这些现象说明西安在仰韶晚期很可能发生过一次强烈的地震灾害，致使遗址遭到严重破坏。位于新疆吐鲁番东部的高昌故城据近史料记载，1914 年 8 月 5 日在故城西北约 150公里发生较强地震；1916 年故城西约 10 公里吐峪沟发生 5.0 级地震；1965 年 11月 13 日在博格达山区发生 6.6 级地震；1974 年 9 月 30 日在故城西约 106 公里处发生过 5.0 级地震（郝宁，2007）。这几次地震，使吐鲁番地区部分民房、寺庙倒塌。

        1.1.9 生物风化破坏
   生物风化是指生物生长对土遗址产生的风化作用，包括生物的根系劈裂破坏和生物分泌物的化学破坏。土遗址疏松结构可为动植物及微生物生长提供良好环境。植物的根系及微生物生长破坏了土遗址的内部结构，降低遗址土体强度，严重时发生开裂和坍塌。研究表明，微生物的分泌物结合矿物中的金属离子而引起的化学反应，对遗址中矿物的总分解能力远远超过所有动植物具有的总分解能力，研究人员发现唐长安城含光门遗址遭受螨虫的侵蚀使土质严重恶化。其次生长的低等植物也会影响遗址外观，如定鼎门等遗址表层菌落生长，影响遗址的外观。

        2.1.10 人为破坏
   随着经济的快速增长，人们活动范围也在扩大，对于土遗址这种大型文物，很可能与人们的用地需求产生矛盾，而我国目前对这些野外的遗址缺乏足够保护管理意识，因此土遗址的人为破坏时有发生，如施工挖掘，道路建设，耕种破坏，游客随意践踏，长此以往，将严重破坏土遗址。通常土遗址病害因素之间也是互相影响，如降雨和温度变化引起土体干湿变化，干湿又促进盐析发生，盐析则导致表面土劣化，表面劣化反过来促进风蚀雨蚀，病害因素之间的这种互相影响加速遗址破坏。另一方面各病害因素可能导致相同病害表现形式发生，如温度、风蚀、雨蚀、盐析等因素都能造成遗址表面片状剥离。因此在分析病害机理时，要根据遗址具体环境确定病害发生的主导因素，才能有针对性的保护土遗址。

    2.2 化学加固材料 .......................................................22-25
        2.2.1 无机材料 .......................................................22-23
        2.2.2 有机材料 .......................................................23-24
        2.2.3 有机无机杂化材料 .......................................................24-25
    2.3 土遗址化学加固方法 .......................................................25-28
        2.3.1 喷洒加固 .......................................................25-26
        2.3.2 滴渗加固 .......................................................26-27
        2.3.3 涂刷加固 .......................................................27-28
        2.3.4 吸渗加固 .......................................................28
第3章 化学加固效果评价指标体系及试验设计 .......................................................30-58
    3.1 化学加固效果评价指标体系 .......................................................30-32
    3.2 化学加固效果评价常规指标的试验方法 .......................................................32
    3.3 化学加固效果评价非常规指标的试验方法 .......................................................32-57
        3.3.1 形貌 .......................................................33-34
        3.3.2 颜色 .......................................................34-37
        3.3.3 硬度 .......................................................37-39
        3.3.4 透汽性 .......................................................39-41
        3.3.5 渗透性 .......................................................41-44
        3.3.6 胀缩性 .......................................................44-46
        3.3.7 耐水性 .......................................................46-47
        3.3.8 耐盐性 .......................................................47-49
        3.3.9 耐磨损性 .......................................................49-50

      第5章 结论

   我国的土遗址分布广泛，遗址保护问题亟待解决，在探索遗址保护的进程中，化学加固成为土遗址长期保存的重要手段。本文简要概述了土遗址化学加固的发展及我国土遗址化学保护现状，指出化学保护工作缺少规范指导，文保工作者所进行的试验研究之间缺乏很好的借鉴，不利于同行业人员之间交流，需要规范的实验体系指导研究工作。（2）土遗址化学加固的目的是提高其抵抗环境破坏的能力，防止病害发生。本文根据环境因素，按病害成因将土遗址病害类型划分为：风蚀破坏、雨蚀破坏、冻融破坏、温差破坏、干湿破坏、盐析破坏、降尘污染、地震破坏、生物风化和人为破坏。这种根据成因划分病害类型有助于寻找病害根源，从而进行针对性的保护。（3）根据土遗址病害类型和遗址保护要求，提出了一套化学加固效果评价指标体系，该体系包括了：土的物理化学性质指标、土的强度性能指标、土的硬度指标、土的外观性指标、土的加固过程指标、土的耐候性能、土的矿物及微观结构分析。在这 8 大类下分出 25 项单指标，并按照有无可依据的现有标准，将指标划分为有标准可依的常规指标和无标准可依的非常规指标。（4）针对部分指标，设计了评价试验，形成了试验方法及指标的评定方法。（5）选用三种常用的加固材料 PS（高模数硅酸钾）、Remmers300、TBH（纯丙乳液），选择几个典型的评价指标包括：形貌、颜色、透汽性、力学强度（抗剪强度）、渗透深度、胀缩性、耐水性、耐干湿性、耐盐性、耐磨损性、耐冻融性，按照本文设计的试验方法进行了评价试验。试验结果表明：评价指标体系合理，评价试验方案可行。我国土遗址保护仍处于初步阶段，保护工作从业人员专业背景很多，各保护工作者多是根据自身经验实施保护工作，目前还没有成熟的体系规范这一行业。本文提出的指标体系中部分指标只是定性评价，没形成定量化标准，这种指标的量化可作为研究方向。其次目前还没有一个适用于土遗址加固的材料综合性能评价的方法，对材料之间的比较仅限于单指标。最后，作为化学加固的核心—化学材料的尝试和研制仍是土遗址保护工作的重点，建议建立一个遗址土体和加固材料的资料系统，将遗址的病害信息及材料的性能信息收录，为土遗址保护工作者提供一个良好的信息平台。土遗址保护工作任务大且紧急，希望在各学科工作者的互相配合下快速的寻找到有效的保护手段，避免我国土遗址继续遭受毁坏。