甲基硅酸钠对土遗址水理性质改善的扫描电镜分析

【目的】在长期雨水冲刷及毛细水作用下,土遗址极易受到干湿循环影响产生裂缝,造成破坏。为增加土遗址疏水性、提升其水理性质,利用防水剂对其进行改善。【方法】选用甲基硅酸钠溶液对土遗址进行喷洒处理,使该溶液经毛细作用进入土样内部,再由碳化反应使土体产生疏水性,并通过SEM电镜分析其疏水原理。【结果】通过电镜分析发现:甲基硅酸钠在碳化作用下使土颗粒表面形成有机硅氧膜。随着喷洒次数的增加,内部独立悬浮土颗粒减少,颗粒间连接力有所增加,土样内部孔隙大量减少,阻断了外界水分的入侵通道,降低了土体吸水率。【结论】通过甲基硅酸钠处理,提高了土遗址的水理性质,为土遗址保护提供了新思路。

土遗址类暴雨受损调查及保护策略——以河南为例

土遗址类不可移动文物由于其自身的特点,相较于其他类别的文化遗产,本身抗灾能力较弱,保护难度较大。河南土遗址作为土遗址类不可移动文物的代表,受季节性暴雨的侵袭,土遗址本体或其所处的环境受到灾害的威胁较大。本研究以河南露天土遗址为研究对象,探讨土遗址与灾害的相关性。笔者通过对河南土遗址受灾情况进行监测和调查后,对河南省土遗址类不可移动文物受损情况进行梳理总结,并对损伤机理进行研究,从灾前预防、工程实施、防灾管理三个方面,提出土遗址防灾减灾的相关建议,以期为遭受暴雨灾害的土遗址的保护与修复提供有效参考。

经PS加固土遗址水饱和强度及加固效果的环境影响研究

以新疆交河故城遗址土做试样,首先用不同浓度的PS加固,经过一段时间干燥后得到不同初始含水率的试样,然后进行渗透系数测试,之后再进行不固结不排水试验,测量试样的抗剪强度。同时,进行PS加固试样的水稳定变化测试(即水中崩解试验),耐风蚀的风洞模拟试验,冻融破坏对加固强度的影响、温差破坏对力学强度影响及干湿破坏对力学强度影响等试验,研究古丝绸之路特殊环境因素对PS加固土遗址保护效果的影响。结果显示,PS加固对土的饱和渗透系数影响很小,而被3%和7%PS加固后的试样峰值抗剪强度比加固前的分别提高了90%和360%,残余抗剪强度也分别提高了50%和250%。结果说明,PS加固后土遗址仍具有很好的渗透性,但被雨水渗透饱和后,仍具有很明显的加固强度。这就证明PS适用于丝绸之路干旱区古代土遗址的加固保护。

遗址博物馆内土遗址本体可溶盐和霉菌危害预防与治理的进展

在博物馆建筑的保护下,尽管避除了由于风蚀、雨淋、日晒等有害因素所导致的土遗址裂隙、崩塌等病害现象,但是可溶盐迁移及霉菌滋生导致的表层风化等一系列危害会造成土遗址本体破坏和信息损失,所以进行这方面的研究尤其重要且迫切。本文主要综述了可溶盐、霉菌的破坏作用、产生原因、影响因素、防治措施等,并探讨了遗址博物馆内土遗址防治可溶盐及霉菌危害的可行性保护研究方法。

干旱区土遗址盐渍带风蚀损耗效应微观机制研究

基于西北干旱地区典型土遗址盐渍带盐分野外观测和定性分析结果,初步总结了土遗址盐渍土带特征并阐释了风蚀损耗效应的概念;通过对掺入不同含量2种盐渍带常见盐分Na2SO4和NaCl,并经历干湿循环的遗址土重塑样的风洞模拟试验和微结构分析试验,揭示了盐渍带中常见盐分发生的盐渍过程会对遗址土抗风蚀能力产生显著的影响;并通过统计学分析方法证实了试样的风蚀速率与有关孔隙的部分微结构特征参数之间存在着良好的对应关系;最后结合定性分析和试验研究结果,从微观角度对土遗址盐渍带土的风蚀损耗机制进行了初步的讨论。

楠竹加筋复合锚杆内部界面黏结滑移模型

楠竹加筋复合锚杆已经应用于中国西北丝绸之路上留存的古代土遗址保护加固工程中。该锚杆截面积大,可以获得足够大的锚固力。针对现场拉拔试验中钢绞线从内黏结剂中拔出的破坏形式,设计了专门的试件及夹具,试验研究了钢绞线与内黏结剂间的力学行为。试验结果表明,钢绞线与内黏结剂的黏结滑移分为指数上升阶段、软化下降阶段和残余应力阶段3个阶段,可以用简化模型和精确模型描述。试验还表明,钢绞线与内黏结剂接触界面上应力分布不均匀,靠近加载端的应力较大,且有应力峰,应力峰随荷载的逐渐增大向远离加载端的方向移动;钢绞线与内黏结剂间平均剪切应力随锚杆的长度增大呈指数衰减。通过理论分析,给出了界面黏结滑移微分方程及相关曲线,结果表明,钢绞线轴力及界面相对滑移沿钢绞线均呈不均匀分布,且随着距加载端的距离增加其值急剧下降,该规律可以指导锚杆设计及工程应用。

应用于土遗址文物脱盐的高分子材料

运用吸附脱盐法除去土遗址中的可溶盐,所用的吸附材料是脱盐的关键要素之一。本文介绍了用于土遗址脱盐的吸附材料发展历程及其现状,重点介绍了耐盐性高分子吸水材料用于土遗址基体中盐类脱除的机理、存在的问题及发展方向,文中还对高分子吸水材料可能取得的进展和前景进行了展望。

点滴化学注浆技术加固土遗址工程实例

表面防风化问题一直是土遗址保护研究的重点和难点。将开发研制的点滴化学注浆装置应用于工程实际,对堂加2#土遗址表层进行化学加固,内容包括:室内模拟场地点滴注浆试验、浆液固化体三轴试验、微观结构扫描电镜(SEM)观察、现场模拟土遗址的点滴注浆试验、点滴化学注浆技术加固堂加2#土质古窑。试验结果表明:(1)点滴化学注浆装置采用的气球密封注入前端构造,可有效解决注入过程中浆液外溢问题,并可在地下遗址顶部及其附近实现由下而上的化学注浆加固;(2)化学加固剂(硅酸乙酯)通过改善土粒团块之间的胶结状态,可有效提高遗址土的黏聚力,对内摩擦角的影响不甚明显;(3)点滴化学注浆技术可对预定厚度的遗址土进行有效加固,克服了喷涂工艺加固深度浅且易出现两张皮的现象;(4)点滴化学注浆技术对堂加2#土质古窑的成功加固,验证了该技术的现场适宜性和可行性,对类似的土遗址固化处理具有借鉴和参考意义。

干湿与盐渍耦合作用下土遗址强度劣化机理

通过集中降雨过程3处典型遗址温度和含水率的实时监测,发现遗址内部不同位置土体经历耦合作用的频率与程度存在差异.通过对分别掺入不同含量Na_2SO_4、NaCl,经历不同期次干湿循环的遗址土重塑样的强度指标测试和粒度分析,得出试样的抗压强度、抗拉强度、内聚力、粗粉粒质量分数和粒度分维值都随含盐量和干湿循环次数的增加而产生规律性调整.数学统计分析证明不同频率与程度耦合作用下遗址土宏观强度指标的变化与粒度分析指标调整之间存在定量关系,分析和讨论了干湿盐渍耦合作用下遗址土强度劣化的本质原因、遗址消亡过程的形式和速度与遗址土强度劣化过程之间的联系.

干旱区土建筑遗址冻融耐久性研究

在我国的西北地区,强烈冻融、风蚀等对性质脆弱的土建筑遗址安全构成极大威胁。研究了冻融循环对土遗址耐久性的影响。选择新疆交河故城原状生土试样和重塑土试样进行了冻融循环试验,监测冻融过程中的质量变化,并在冻融循环结束后进行了风洞试验和强度试验。冻融试验结果表明,在试样初始含水率较低的情况下,前5个冻融循环,试样经历了一个质量增大的过程;在随后的冻融过程中伴随着冻干和吸湿,原状试样质量的整体趋势是减小的,重塑样质量的变化趋势维持水平。随冻融循环次数增大,原状试样的微结构出现损伤,强度减小,风蚀量增大,即耐久性持续变差。相反,冻融循环初期,重塑样的强度有所增大,风蚀量减小,耐久性得到了提高;随着冻融循环的增加,重塑样的强度开始下降。重塑试样由于重塑过程中其结构受到破坏,强度弱化,冻融循环引起重塑土的"陈化",愈合了土体的结构,但随着冻融进行,矿物颗粒的微结构损伤不断增大,试样的耐久性降低。

土遗址墙体含水量与电阻率关系研究

多孔介质电阻率的影响因素很多,对于特定结构的土遗址墙体,电阻率的变化取决于水分和温度的变化。对交河故城土遗址墙体夯土电阻率模型分析,结合改进的Archie模型,建立特定结构墙体电阻率模型,通过室内电阻率与含水量的关系试验,确定模型公式中的结构参数和土性参数。根据试验建立的墙体电阻率反演含水量关系式,采用高密度电阻率层析法,对交河土遗址现场试验墙体进行尝试性测试。测试结果论证了该模型公式的实用性,为土遗址文物本体水分运移监测中的实际应用奠定基础。

微型土钉微型化学注浆技术加固土质古窑

土遗址的保护是一个世界性的难题,其本身的病害主要表现为遗址表层土的分化剥落、土体开裂和坑壁坍塌等。传统的土钉锚固技术和化学注浆技术应用于土遗址表层的加固保存时存在一些缺陷:(1)钻孔直径较大,对遗址易造成较大的扰动,且在遗址表面易留下较明显的痕迹;(2)传统的化学注浆技术注入压力大,易导致土遗址内部产生微裂纹破坏,常出现化学加固剂沿孔壁和注入管之间的间隙外溢至地表,污损遗迹外观。直接喷淋化学加固剂于遗址表层,渗透量和加固效果则难以评价。以加固堂加2#土质古窑址为目标,开发出微型土钉技术和微型化学注浆装置,以克服上述不足。根据具体的工况特征,二者可结合使用,也可单独应用。开发的微型装置主要包括水泥浆注入器、气球密封注入前端等,其显著特征是适合于微型钻孔(φ5～7 mm)中进行注浆锚固和化学加固,具有一定的创新性。该微型加固技术的有效性和适宜性在现场模拟土窑的加固试验中得到检验。应用有限差分程序FLAC对2#土质古窑进行稳定分析,根据不同部位的稳定性和可能的破坏模式,进行微型加固方案的设计,并成功地应用于2#土质古窑的加固保存。该微型加固技术以其便携、微扰动和现场适应性强等特点在土遗址的加固补强中具有良好的应用前景。

经PS材料加固后遗址土体热传导性能的试验研究

PS材料对西北干旱区土遗址具有良好的加固效果,能够大大提高遗址土体的力学强度和抗风蚀能力。为了探讨PS材料对土遗址土体热传导性能的影响作用,研制可测定土遗址土体热传导率的装置,使用新疆交河故城遗址现场的扰动土制做成土样,进行PS材料加固土样的热传导率测定试验及室内模型试验。结果表明,经PS材料加固后的土遗址土体具有热传导率减小的趋势,并且PS材料浓度越大,加固土体的热传导率越小。室内模型试验发现,当外界温度变化时,PS材料加固土体对温度变化的反应比未加固土体缓慢。这表明经PS材料加固后的土体,由于热传导率的降低,阻碍土体的热传导过程,具有能减缓温差所引起的物理风化作用,对研究西北干旱区土遗址的加固保护具有重要的意义。

PS加固土遗址土体的红外热像检测试验研究

红外热像技术作为一门新兴的无损检测技术,是基于被测对象温度场的变化规律而进行的,目前广泛应用于检测物体表面的结构状态、性质和内部缺陷等。为了探讨土遗址加固土体的无损检测方法,以新疆交河故城遗址现场采取的扰动土制作了模型。模型的1/2用浓度为10%PS(PS为一种高模数的硅酸钾溶液)加固,1/2不加固,将加固后的模型室温静置30 d,自然风干后进行了红外热像室内模型试验。试验表明,PS阻碍了土体的热传导过程,加固前后的土遗址土体在红外热像上会出现差异,为进行土遗址加固效果的无损检测提供了一种途径。最后进行了PS加固遗址土体的热传导率测定试验和微型贯入仪现场试验,结果表明加固土体与未加固土体的热传导性能产生差异的原因与经PS加固减小了土体的热传导率、提高了土体的力学强度有关。

夯土建筑遗址表面温度变化特征及预报模型

在国内首次把红外热像仪应用于交河故城土遗址保护中,解决了土遗址表面温度测量的难题。通过对夯土建筑遗址墙体表面温度的监测,得出墙体表面温度随时间、空间的分布及变化规律。监测结果显示,太阳辐射、墙体朝向、风化程度等是影响土遗址墙体表面温度的重要因素。监测期间墙体的最高日温差达35℃,若在极端条件下则会更高,剧烈的温度变化减弱了土体强度,加剧了土遗址的劣化。在上述分析的基础上,利用回归拟合的方法,建立了夯土建筑遗址表面温度预报模型,通过气温即可计算出土遗址墙体表面的日温差,为土遗址的水热研究、盐分运移研究及其他相关研究提供数据支持。

夯土遗址表层热劣化模拟试验研究

以武威明长城夯土遗址为例,通过现场调查及室内模拟试验,研究分析夯土遗址表层的热劣化机制.X射线衍射及电镜扫描试验表明:遗址表层与母墙土的矿物成分相似,表层微观结构平滑,但风化明显.热劣化模拟试验表明,试样表层热传导系数、热扩散系数及体积比热均低于母墙.热劣化过程中,表层与母墙的热传导系数与热扩散系数均维持稳定.研究认为,夯土遗址表层与母墙组成具有热性质差异的双层结构,在温差作用下,双层结构间的稳定热差异会使其接触面产生热应力差.热应力差的持续作用使接触面劣化疲劳,导致遗址表层与母墙分离,产生剥离病害.

风场对半湿润山脊土遗址掏蚀量的影响

在青海省半湿润地区,地处高海拔且常年遭受几种主风向作用下的土遗址,风力掏蚀成为其破坏的最重要因素之一。主要根据多年的气候数据及已观测的掏蚀量,并结合室内风洞试验与流体动力学(CFD)中常用的软件Fluent进行模拟分析,主要揭示风力掏蚀病害形成和发展过程中的影响因素,进一步结合工程地质学和力学理论进行分析研究,提出风蚀量与风速、风蚀时间之间的定量关系。为防治和监测此类病害的发生和发展,预报一次风蚀事件的风蚀量,及其对土遗址稳定造成的影响提供有益的参考。

河西走廊地区线性土遗址阴阳坡掏蚀区差异效应研究

底部掏蚀区的形成和发展是干旱区受环境因素控制最为典型和危害最为普遍的土遗址病害之一,通过对河西走廊沿线12市县明长城遗址掏蚀区形态、盐分、干湿条件及风场特征的调查、监测与分析,发现了遗址阴阳坡掏蚀区的形态、含盐状态、风场条件和降雨过程中的温湿度变化均存在显著差异;并结合室内实验条件下脱盐后分别掺入不同含量NaCl和Na_2SO_4并经历3、6、9、12次干湿循环养护的遗址土重塑试样的风洞模拟实验,提出干旱地区土遗址阴阳坡掏蚀区差异效应,揭示了盐分类型与含量、干湿循环次数、挟沙风风速和吹蚀时间对土遗址阴阳坡掏蚀区差异效应的影响,最后结合调查分析和实验结果对其形成机理进行了初步讨论。

酶诱导碳酸钙沉淀加固遗址土动力特性试验研究

中国西北地区地震频发,土遗址长期受到地震活动的不利影响。为了研究酶诱导碳酸钙沉淀技术(EICP)加固遗址土的动力特性,对1.55、1.65、1.75 g/cm^(3)这3种初始干密度的遗址土进行EICP处理,并设置未经EICP处理的对照组。开展了不同围压、振动频率下的动三轴试验。结果表明:在相同动应力作用下,相比对照组,试验组的动应变更小,耗散的能量更少,阻尼比更小;在EICP加固后,随着干密度、围压、振动频率增大,可以降低动应变的产生,但这种效果依次减弱。动本构关系符合Hardin模型,干密度、围压、振动频率对模型参数a(动弹性模量)的影响程度逐渐减小;微观分析发现,EICP加固后,碳酸钙沉淀在土颗粒表面附着,填充孔隙,并与土颗粒相互胶结成致密结构,土体结构强度增强。

交河故城的裂隙特征研究

用地质工程和建筑学的理论与方法研究交河故城文物本体和载体裂隙(缝)的分布规律和特性。结果表明:交河故城裂隙(缝)主要包括卸荷裂隙、构造裂隙、变形裂隙、建筑工艺裂缝。交河故城发育三组优势节理,卸荷裂隙主要分布在崖体东边和一些宽大的文物本体台地上,具有张开度大,延伸长的特点,其破坏性最大。建筑工艺裂缝是墙体最主要病害,变形裂隙是窑洞的主要破坏形式,崖体裂隙形成与台地微地形地貌及地质条件关系密切,卸荷裂隙和节理共同作用是崖体裂隙的主要特征。