面向材料老化的遗址土特性研究——以销阳城遗址为例_刘洪丽.pdf

西北大学学报（自然科学版）年 月，第 卷第 期，（）收稿日期：基金项目：甘肃省文物保护科学和技术研究课题（）；甘肃省科技计划项目（）；国家自然科学基金项目（）；国家重点研发计划课题（）第一作者：刘洪丽，女，河北沧州人，博士，研究馆员，从事环境岩土工程及文物保护研究，。文化遗产保护面向材料老化的遗址土特性研究 以销阳城遗址为例刘洪丽，张正模，郭青林，李雪婷，易 泉，水碧纹（敦煌研究院 保护研究所，甘肃 敦煌；中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州；兰州大学 大气科学学院，甘肃 兰州；兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州）摘要 暴露在自然环境中的土遗址在降雨、风沙和温度变化的长期影响下，材料功能不断退化。以锁阳城遗址土为研究对象，测试遗址土物理、化学、热学和力学特性，为开展土遗址建筑材料老化机理研究提供基本参数。结果表明，不同方位城墙遗址土均为低液限黏土，矿物成分主要为石英、长石、云母、绿泥石、方解石和白云石，易溶盐主要为 和。不同方位城墙土体颗粒及矿物组成造成物理力学性质差异。东城墙的可溶盐总量较大，矿物风化程度最大。西城墙土体的导热系数和热扩散系数最小，热劣化损伤程度最小。原生夯土比重塑试样的结构性更好，具有较高的抗压强度和抗剪强度。在土遗址夯筑砌补加固施工过程中，分层夯筑有利于提高结构稳定性。关键词 锁阳城遗址；物理性质；矿物成分；热学参数；力学性质中图分类号：；：，（，；，；，；，），；古代丝绸之路是世界各国经济文化交流的通道，沿线保留了大量的历史文化遗址。土遗址是以土作为主要建筑材料的遗迹和遗物，例如城墙、夯土台基、粮仓和墓葬等，具有重要的历史、艺术、科学、社会和文化价值。土遗址在修建时承载了重要的军事、政治、经济和文化意义，既是解读古代社会和历史的遗存实体，还是一种宝贵的文化资源。中国“一带一路”倡议的提出和实施，赋予了丝绸之路新的时代意义，也为文物保护工作带来了新的机遇和挑战。土遗址一般取用附近的生土材料建造而成，体量大且不可移动，大多数露天保存。由于土体遇水易崩解，力学强度差，我国丝绸之路沿线保存完整的土遗址主要位于西北干旱 半干旱地区。这些地区日照时间长，昼夜温差大，降雨历时短强度大，风沙频繁。在几百年甚至千年的水 热 风协同作用下，暴露在大气环境中的土遗址产生了多种病害，正处于逐渐消亡的过程。本研究以世界文化遗产锁阳城遗址为研究对象，通过对遗址土进行物理、矿物、化学、热学和力学性质测试，分析土遗址劣化后的材料特性。研究成果对后期采用现场监测、室内物理模拟试验和数值模拟等方法研究土遗址建筑材料老化机理具有重要意义。研究区概况锁阳城遗址是古代丝绸之路上的咽喉要塞，距今已有 多年的历史。该遗址汇集了古城址、古佛寺、古河道、古水渠和古垦区等多种文化遗存。年，锁阳城遗址作为中国、哈萨克斯坦和吉尔吉斯斯坦三国联合申遗的“丝绸之路：长安 天山廊道的路网”中的一处遗址点，被联合国教科文组织列入世界文化遗产名录。锁阳城遗址位于中国西北干旱地区甘肃省瓜州县戈壁沙漠中（见图），冬季寒冷，夏季炎热，昼夜温差大，平均年降水量.，平均年蒸发量 .，平均日温差约，风向以东风和西风为主，最大风速可达 。遗址城墙主要采用夯土版筑制作而成，只有后期补筑或重修的墙体使用了土坯垒砌工艺。多年来，在自然环境变化和人为活动的双重影响下，外城损毁严重，仅存部分不连续性墙体，内城完整性较好，四边形轮廓清晰可见。墙体病害调查发现，东城墙风蚀损伤严重，底部的掏蚀程度大于中上部；北城墙和南城墙雨蚀损伤严重，墙体表面多处存在明显冲沟。图 锁阳城遗址地理位置 试验材料与方法.试验材料现场收集东城墙（）、南城墙（）、西城墙（）和北城墙（）遗址土作为试验材料（见图）。为减小取样误差，在不同方位城墙坍塌块体 个不同位置取样，确保 个样品的平均值代表该方位城墙遗址土劣化后的材料特性。待测样品分为原状试样和重塑试样 类，原状试样为土遗址目前仍存留的墙体内部原生夯土，重塑试样为后期新筑成的墙体。遗址土原状试样的制作过程为切割、削圆、磨平、量测 个步骤，形状和尺寸满足不同仪器测试需求。重塑试样由坍塌遗址土经人工制作而成。第 期 刘洪丽，等：面向材料老化的遗址土特性研究图 遗址土取样位置 首先，将风干土样碾碎过 筛；然后，根据击实试验结果，按照最优含水率调配湿土，待水分分布均匀，采用干密度控制法，利用静力压实机，分 层压制成尺寸与原状试样相同的样品；最后，将样品放置在室内通风处阴干至天然含水率状态。.试验方法选用原状试样进行基本物理参数、矿物成分、易溶盐和热学参数测试试验，选用原状试样和重塑试样进行力学性能测试。试验方法参照土工试验方法标准和土遗址保护试验技术规范进行。为了减少试验结果误差，各指标进行 次平行测试，最后取平均值作为土体参数。各参数测试方法及设备见表。表 试验参数及方法 锁阳城遗址性状试验方法主要仪器 设备基本物理参数含水率烘干法烘箱比重比重瓶法砂浴、比重瓶密度蜡封法蜡、天平、盛水杯液塑限液塑限联合测定法液塑限联合测定仪颗粒分布激光法 型激光粒度仪（英国）矿物参数矿物类型矿物含量衍射矿物成分试验 型射线衍射仪（日本）化学参数盐离子总盐量易溶盐试验 睿智型离子色谱仪（美国）热学参数导热系数热扩散系数比热瞬变平面热源法 热常数分析仪（瑞典）力学参数抗压强度无侧限抗压强度试验万能压力机抗剪强度黏聚力内摩擦角直接剪切试验三轴压缩试验 型四联应变控制式直剪仪 非饱和土三轴仪（英国）试验结果及分析.遗址土的基本物理特性土是由颗粒、水和气体组成的三相体系，含水率、密度、比重是 个最基本的物理特性指标，可换算土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等相关指标。这 个基本指标的变化不仅影响土体的物理性质，还会引起力学性质的变化。基本参数测试结果表明，土体含水率为.，干密度为.，比重为.，粒径小于等于.的颗粒质占总质量的以上，塑性指数均大于（见表）。根据土的工程分类标准，判定锁阳城遗址土为低液限黏土。西北大学学报（自然科学版）第 卷表 遗址土的基本物理参数 遗址土含水率 干密度（）比重粒径分布.液限 塑限 塑性指数土的分类.低液限黏土.低液限黏土.低液限黏土.低液限黏土 根据遗址土级配曲线（见图），不同方位的遗址土级配较良好且连续。从不同方位城墙土体粒度频率曲线（见图）可以看出，粒度构成主要为粉粒，在曲线前部粒径小于 出现黏粒集中区。东城墙土土体表现为单峰，表明粒度分布均匀，级配良好；北城墙土土体表现为不明显双峰，级配较良好；南城墙和西城墙土体为双峰，级配较不良，其中南城墙土体双峰分别集中在粉粒和砂粒范围，西城墙双峰均在粉粒范围。图 遗址土级配曲线 图 遗址土粒度频率 锁阳城遗址地处西北极干旱地区，日照时间长，蒸发强烈，不同方位城墙土体的天然含水率均比较低。东城墙和北城墙土体干密度比较大，密实性相对较好。北城墙土体中黏粒含量最多，塑性指数最大。遗址土的基本物理性质受多种因素影响，但颗粒级配依然起主导作用，黏粒含量越高，比重越大，液限和塑限也越高。.遗址土矿物成分及化学特性矿物颗粒是土体固相的重要组成部分，根据风化作用不同，可分为原生矿物和次生矿物两大类。物相分析结果表明，锁阳城遗址不同方位城墙土体的矿物类别基本相同，主要成分为石英、长石（钠长石、钾长石）、云母、绿泥石、方解石和白云石（见图）。东、南、西、北城墙土体中原生矿物总含量分别为.、.、和，次生黏土矿物绿泥石含量分别为.、.、.和.，次生碳酸盐矿物含量（方解石、白云石）分别为.、.、.和.（见表）。对比分析发现，南城墙土体中原生矿物和次生黏土矿物总含量最高，碳酸盐矿物总含量最低；东城墙土体中原生矿物总含量最低，碳酸盐矿物总含量最高；西城墙和北城墙土体中的原生矿物、碳酸盐矿物、次生黏土矿物总含量均相近。图 遗址土 射线衍射分析图谱 第 期 刘洪丽，等：面向材料老化的遗址土特性研究矿物的形态、种类及含量在微观上反映了土体的风化程度。原生矿物风化后释放出来的微量元素部分吸附在黏粒或结合到黏土矿物晶格，部分在碱性介质中与铁铝氧化物胶体共同沉淀，形成金属硫化物或不溶性盐类。对于锁阳城遗址，东城墙土体原生矿物组分石英的含量远低于其他墙体，次生矿物组分方解石的含量远高于其他墙体。据此推断，在相同自然营力作用下，东城墙遭受风化破坏的程度最大。土体中矿物的风化会促进盐的生成，例如，长石风化后析出、离子，方解石发生溶蚀形成石膏，白云石发生溶蚀形成泻盐。锁阳城遗址土易溶盐化学分析结果表明，东、南、西、北城墙土体总含盐量均较小，质量含量分别为.、.、.和.。土溶液中阳离子主要为、和 ，阴离子主要为 、和（见表）。按照活性由大到小的顺序，阳离子先结合成易溶盐，再结合成较不易溶解的盐。根据成盐计算原则，锁阳城遗址土中的易溶盐主要为 和，最大含量分别为.和.。表 遗址土矿物成分 单位：遗址土质量百分比石英钠长石白云母钾长石方解石白云石绿泥石.表 遗址土易溶盐 单位：遗址土成分质量含量 总盐量.盐分的反复溶解 结晶过程是导致土质文物风化破坏的主要因素之一。盐分作为土颗粒骨架的一部分，可以堵塞和充填土体内部孔隙，起到一定的胶结作用，但结晶后体积膨胀会破坏土体结构。在西北干旱地区，强降雨发生后短时间内气温升高。在蒸发作用下，土体中溶解的盐分达到过饱和出现结晶，当结晶压力大于孔隙材料的承受能力时，材料发生破坏。同样饱和度下，与 和 相比，的结晶压力最大，破坏力最强。锁阳城遗址东城墙和西城墙土体中的 含量最大，在水分的参与下，易出现盐风化病害。.遗址土热学特性暴露在大气环境中的土遗址与外界不断发生热交换，不均匀温度分布引起的热应力使墙体发生表层剥离病害至渐进式破坏。材料的热物理参数是决定温度场分布的关键因素。锁阳城遗址土热学参数测试结果表明，不同方位城墙土体导热系数比较接近，北城墙最大为.，西城墙最小为.。热扩散系数的总体变化趋势与导热系数一致。比热是导热系数和热扩散系数的比值，经计算，西城墙土体的比热最大，东城墙土体的比热最小（见表）。西北大学学报（自然科学版）第 卷表 遗址土热学参数 遗址土导热系数（）热扩散系数（）比热（）试样.试样.试样.平均值.试样.试样.试样.平均值.试样.试样.试样.平均值.试样.试样.试样.平均值.岩土材料的导热特性主要与孔隙率、含水率、干密度、饱和度及矿物成分等因素有关。一般情况下，固体的导热系数大于液体，液体的导热系数大于气体。土体是由固、液、气三相组成的体系，物质的比例决定了导热系数的大小。在其他参数相同的条件下，土体导热系数与含水率、干密度和饱和度成正比，与孔隙率成反比。根据锁阳城遗址土的物理参数换算结果，西城墙土体含水率、孔隙率和饱和度最大，但干密度最小。可见，西城墙土体的导热系数和热扩散系数均最小，主要受干密度影响。材料导热系数越小，导热能力越弱，热扩散系数越小，物体达到与周围环境热平衡的状态越慢。在相同的热交换条件下，西城墙土体温度波动最小，温度分布均匀性最好，这与西城墙的干密度最小结果一致，温度变化使墙体发生不均匀胀缩。因此，从材料热劣化角度看，西城墙因温度分布不均遭受热应力损伤的程度最小。.遗址土力学特性土遗址大多建造于千百年之前，土体颗粒间的联结不断演化发展，具有一定的结构性。无侧限抗压强度测试结果表明，遗址土原状试样和重塑试样的平均抗压强度分别为.和.（见表）。在工程上，常用灵敏度来衡量黏性土结构性对强度的影响。经计算，锁阳城遗址土灵敏度为.，属于中灵敏度黏性土，结构性较好。表 锁阳城遗址土抗压强度 单位：遗址土 抗压强度 弹性模量 原状试样重塑试样原状试样重塑试样试样.试样.试样.平均值.第 期 刘洪丽，等：面向材料老化的遗址土特性研究 根据轴向应力 应变曲线，取最大应力 处的割线平均值作为遗址土原状试样和重塑试样的弹性模量，分别为 和 （见图）。原状试样抗压强度和弹性模量大于重塑试样，离散性也大于重塑试样，这可能与试样的结构差异有关。图 轴向应力 应变曲线 在法向压力、和 下，遗址土原状试样的平均抗剪强度分别为.、.、.和.，重 塑 试 样 分 别 为.、.、.和.。对不同法向压力和剪切强度进行线