榆林卫城南城墙夯土改性加固试验研究

陈 平， 杨瑜瑞， 郝宏伟， 宋泽维

（1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.陕西省文化遗产研究院，陕西 西安 710075）

榆林位于陕西北部，是陕北地区政治、军事、文化中心.榆林城墙作为其标志性建筑之一，充分体现了自十五世纪以来陕北文化的深厚内涵，是研究陕北古代政治、军事、文化、建筑等不可多得的实物载体，也是推动地方经济建设、发展旅游事业的珍贵资源.

榆林卫城南城墙瓮城至魁星楼段城墙由于雨水冲刷及战争破坏，导致墙体变薄，外包砖悬空、下沉、断裂、坍塌，内侧土墙破坏尤其严重，原顶部宽度近10m，底部宽度近15m的城墙现绝大多数地段顶部宽度仅约3m.为传承历史，保存人类优秀文化遗产，对榆林卫城南城墙采取抢救性保护加固措施已迫在眉睫.本文试验工作即为配合其中内侧城墙修复保护工程而进行.

古城墙遗址破坏包含风蚀、盐蚀、冻融、雨蚀等一系列问题，国内外对土遗址的研究主要集中在化学保护方面，尤其集中在PS（硅酸钾溶液）材料保护方面；物理及古城墙修复保护方面涉及较少.本文研究的改性土加固保护是一个复杂而新颖的方向，涉及改性土研究和古城墙保护两个交叉学科的问题，在国内外文献中较为少见.

1 试验原则及方案

1.1 保护原则

采用原有的建筑形制、建筑结构、建筑材料、工艺技术对城墙进行加固保护是文物保护的原则性要求.因此，采用素土夯筑的方法对内侧城墙加固是加固保护方案的首选.然而，由于素土自身抗风化、抗雨蚀的能力较弱，所以要求加固保护措施应尽可能使城墙在满足强度要求的同时兼具良好的耐久性.

1.2 研究方案

本次加固试验方案提出在城墙夯筑时对土体进行改性，要求改性后土体具有如下能力：（1）抗风蚀；（2）抗雨蚀；（3）强度较高；（4）耐盐蚀性能较高；（5）抗冻融性能较高；（6）保持原有遗址原貌特征.试验方案设置如下：取现场土样、料姜石及市场购买的水泥、熟石灰，按不同配比将上述原材料加工成试件并对其性能进行对比试验［1］.

笔者通过化学成分分析，发现前人用于榆林卫城城墙土体里含熟石灰成分及一种特殊建筑材料——料姜石，该建筑材料产于华北、西北黄土地带及石灰岩古风化层中，主要分布于河北邢台、陕西北部、山西等地，因此本文在原有材料的基础上，改变其中组成比例，并掺入少量水泥，以实现墙体更优的力学及耐久性能，从而为保护古城墙做出贡献.

2 原材料与试件制备

土样和料姜石均取自榆林卫城城墙的施工现场；32.5普通硅酸盐水泥和熟石灰由陕西耀县生产.料姜石经手工砸制、过筛得到粒径不大于3mm的粉末.

依据GB／T 50123—1999《土工试验方法标准》测定榆林素土物理性能，如表1所示.原有城墙夯土土体最大干密度均值为1.80g／cm3，Ca2＋含量1）本文所涉及的含量、液塑限等均为质量分数.占土体总质量的10%，料姜石含量为5%～20%，石灰含量为4%～10%.根据上述测定结果，本着修旧如旧的原则，掺和料中料姜石和熟石灰应在原有基础上进行配比；水泥相对而言是新型材料，其掺量应严格控制，不能超过10%（试验发现水泥掺量为10%的试件颜色已略不同于素土试件）.表2为9种配合比试件的编号及其在各类试验项目中使用的情况；表3为9种试件的平均含水率（试件加工时的控制含水率）和平均干密度.

表1 榆林素土物理性能Table1 Physical properties of Yulin soil

表2 试件配合比及试验项目分类Table 2 Mix proportion and type of samples

表3 试件平均含水率和平均干密度Table 3 Mean water content and mean dry density of samples

按表2配合比称量素土、料姜石粉、熟石灰和水泥并搅拌均匀，参照美国ASTM有关水泥土规程及GB／T 50123—1999《土工试验方法标准》，按测定的榆林素土最优含水率10%～13%和干密度1.80g／cm3为标准夯筑立方体试件［2］，试模尺寸为100mm×100mm×100mm，由人工振捣成型，共计103件.

3 试验方法及成果分析

3.1 化学组成及易溶盐成分分析

榆林素土及料姜石化学成分依据GB／T 176—1996《水泥化学分析方法》进行测定；易溶盐成分依照GB／T 50123—1999《土工试验方法标准》进行分析，结果见表4，5.

表4 榆林素土及料姜石化学成分Table 4 Chemical compositions（by mass）of Yulin soil and liaojiang stone %

表5 榆林素土及料姜石易溶盐成分Table 5 Components of soluble salt in Yulin soil and liaojiang stone mmol／kg

由表4可知，榆林素土主要成分为SiO2和Al2O3，说明榆林素土化学成分和一般黄土基本相同；料姜石主要成分为CaO，即料姜石主要成分和熟石灰相同；料姜石烧失量达到31.68%，说明料姜石中有机物含量较大，原体积稳定性较素土差，应进行煅烧之后再使用.考虑到原有城墙土体中料姜石量少及未煅烧，本着修旧如旧的宗旨，认为在掺量较少的情况下料姜石可以未经煅烧使用.

表5中榆林素土和料姜石的易溶盐含量分别为0.170%和0.160%，差别较小，其中含量较大的为HCO－3.SY／T 0317—97《盐渍土地区建筑规范》规定易溶盐含量大于0.3%的土为盐渍土，由此可知用于榆林卫城加固的2种主要材料都不属于盐渍土范畴，可以不考虑榆林卫城南城墙改性夯土的溶陷性和盐胀性.

3.2 改性材料与土体作用机理分析

（1）水泥与土体作用机理：土体作为一种多项散布体，与水结合表现为胶体特征，其中SiO2与水形成硅酸胶体；水泥水化生成Ca（OH）2等胶凝离子，其比表面积比水泥颗粒大1 000倍之多，这些胶凝离子吸附大量土颗粒而形成大的团粒.Ca2＋，OH－渗透进入土颗粒内部，与土体矿物发生物理化学反应，继续生成胶凝物质，并且封闭了团粒之间的孔隙，从而形成较封闭的改性土体结构，即在很大程度上阻止了水分及无机盐溶液进入改性土体内部.但少量水泥对改性土体增强效果不佳，从经济利益出发，加入石灰及料姜石对土体强度更为有利.

（2）熟石灰与土体作用机理：石灰加入到含有黏粒的土体中，会使土体孔隙溶液中Ca2＋浓度大幅增加，由于Ca2＋具有较强的离子交换能力，因此Ca2＋可置换出黏土吸附的水合Na＋，此反应可用下式表示：

这个过程可降低土体颗粒的水膜层厚度，有利于土体颗粒形成较强的连结结构，促使土体凝聚作用力增加，使黏土微结构团粒化；另外，石灰溶解重结晶所形成的水化氢氧化钙对改性土强度提高也有益，是石灰对土体早期胶结的主要形式.

（3）料姜石与土体作用机理：料姜石的主要成分是CaO，其含量达到48.27%之多，即料姜石和土体的作用机理大部分为石灰和土体作用机理，古人应用料姜石的目的在于其石灰成分；料姜石烧失量为31.68%，说明料姜石中所含有机物较多，其不与土体发生物理化学反应；块状料姜石主要成分为Ca－CO3，为坚硬块体，很难在土体中分解并与土体发生反应；试验使用粒径小于3mm的料姜石中，少量粒径较大的块体可作为粗骨料，一些粒径较小的土颗粒则可起到细骨料作用，少量水泥为胶凝材料，从而在土体空隙中形成少量类似混凝土的高强度团粒，起到一定的骨架作用，适当提高了土体强度.

3.3 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度（以下简称为强度）试验以GB／T 50123—1999《土工试验方法标准》为依据，自行设计安装压力设备进行.试验原理是手动加压，压力传感器测定压力值及位移计测量位移并将数据传导给JLFX100数据记录仪，每隔0.1s进行1次数据采集，结果见表6（其中的含水率为试件自然风干3个月后测得，根据现场测试结果，现存土遗址的自然含水率与其相近）和图1.

图1 试件最大应力－应变曲线Fig.1 Max stress－strain curves of samples

试验结果表明，试件强度与夯筑质量关系很大；分析图1可得，不同配合比的各组试件其应力－应变曲线斜率基本相同.考虑干密度对试件强度的影响，可认为在掺和料较少的情况下，改性土强度qu与掺和料掺量呈线性关系，用下式表示：

式中：k为改性材料固化土系数；mC0为最低水泥掺量；mC为水泥掺量；mS，mL分别为熟石灰和料姜石掺量.由式（2）可知，在水泥掺量少于mC0时，水泥对改性土的强度无作用.此次试验水泥掺量mC≤10%，对改性土体强度影响甚微，说明若mC0≥10%，则0%～10%水泥掺量不能改变改性土体强度.梁仁旺等［3］在水泥土力学性能试验研究中提出，当水泥掺量低于15%时，qu与水泥掺量关系不大.

表6 抗压试验数据Table 6 Data of compressive test

由上可得，本次室内试验中，因试件夯筑条件及试件尺寸的影响，试验结果显示料姜石掺量5%～20%，熟石灰掺量5%～10%均对试件强度影响甚微.为此，笔者以上述料姜石及熟石灰掺量，进行了现场大体积试件强度试验，发现掺入料姜石及熟石灰均可适度改善墙体强度.在古建筑修缮原则下可取5%的熟石灰和10%的料姜石来适度改善城墙的强度.

3.4 耐盐腐蚀试验

可溶盐对城墙损害尤为常见，特别是土体中的Na2SO4［4］，它是常见的腐蚀盐之一.本次试验模拟城墙所处环境.将细沙置于容器中，待测试件下垫滤纸放于细沙上，注入预先配置好浓度为3%的硫酸钠溶液和硅酸钠溶液，使溶液液面略低于滤纸表面，并保证溶液能穿过滤纸上升到试件底部，试验期间维持容器中液面高度基本不变.7d后停止加盐溶液，开始观察试件腐蚀现象，并于7d后将其从容器中取出，放置在潮湿的地方2个月，其腐蚀现象如图2所示.

图2 耐盐侵蚀试验Fig.2 Salt erosion resistance test

硫酸盐对土体破坏分为两方面：（1）钙矾石膨胀破坏——硫酸根离子与掺和料中的水泥水化物及土体中的CaO·Al2O3及Ca（OH）2等反应生成钙矾石，使其体积增大1.5倍之多；（2）石膏膨胀破坏——硫酸根离子与改性土体内的石灰溶液Ca（OH）2反应生成白色石膏晶体，使其体积增大1.24倍，而对于古建筑修复原则而言，是不允许有大量白色晶体析出的.

改性材料中的水泥能在很大程度上减小土体孔隙率，封闭团粒之间的空隙，使得无机盐溶液很难进入土体内部，进而使得Na2SO4等无机盐结晶体（Na2SO4·10H2O）膨胀的空间极大地缩小，结晶体之间无法相连，从而阻止了因结晶体形成的裂隙之间连通所导致的裂缝出现，保护了夯土土体的完整性，避免了土体结构不断疏松.这样的混合料极大地减小了无机盐对土体侵蚀.

试验现象表明，Na2SO4和Na2SiO4这两种盐对土体均有不同程度的腐蚀［5］，其中Na2SO4腐蚀较Na2SiO4更严重.这两种盐对改性土体的侵蚀随着水泥掺量的增大而减小，10%水泥掺量的试件基本没有受到侵蚀，但有大量白色晶体析出；5%水泥掺量试件所受到的侵蚀及析出的白色晶体都较少；只掺0%～10%料姜石和熟石灰对试件的耐盐腐蚀性能影响不大.

3.5 冻融试验

湿度低、温差大是榆林地区气候主要特点［6］，因而冻融作用对榆林城墙破坏较明显，特定情况下可能成为主导破坏因素，因此有必要对加固后土体的抗冻融性能进行试验.

试验设备采用PT－2230冻融循环试验机，参照榆林地区气象资料，取其特征数据为依据，按6h模拟1个月的变化规律进行试验.试验温度控制在－20～30℃，模拟完成1a的温度变化过程即认为完成1次冻融循环.

为研究含水率发生变化情况下土体所受到的破坏情况，先取编号为Ⅰ－6，Ⅱ－7，Ⅲ－11，Ⅳ－6，Ⅴ－7，Ⅵ－7，Ⅶ－4，Ⅷ－4，Ⅸ－3这9块含水率较低的试件作为第1组进行冻融试验；再取编号为Ⅰ－1，Ⅱ－2，Ⅲ－8，Ⅳ－10，Ⅴ－4，Ⅵ－4，Ⅶ－11，Ⅷ－7，Ⅸ－10这9块试件作为另一组试件，将其分成5个批次进行试验：第1次加水5%，第2次加水10%，第3次加水15%，第4次加水20%，第5次保持原态，然后观察它们的冻融破坏情况.

冻融作用改变着土的结构性，对土力学性能而言，必须先区分原状土和重塑土.对于原状土，由于长时间的作用，颗粒之间已经形成了足够的作用，导致原状土有较强的结构性，而冻融循环会破坏其原有结构，使其力学性能弱化.重塑土中的固结土在含水率很低的情况下，冻融作用所产生的冰晶对土体内部的膨胀作用力很小，使得土颗粒之间黏聚力变化较小.冻融作用可使土体内部大空隙所占比例减小，土颗粒之间的接触点增加，从而导致其内摩擦角增大［7］，即当含水率较小时，冻融作用对改性土体强度有益；当含水率较大时，冰晶作用变大使得土颗粒之间的黏聚力降低，虽然此时土体的内摩擦角变大，但远不及冰晶对土体的作用，从而导致土体结构弱化，随着含水率的加大，试件从微观到宏观破坏，最后出现裂缝.

对于改性土体，水泥这种颗粒较小的胶凝材料掺入后会填充土体空隙，使得土空隙率变小，水分子较难进入土体，从而减小冰晶对土体的破坏作用.冻融试验结果见图3及表7.试验结果表明，含水率较小的试件在冻融循环过程中表面完好，强度有所增大，说明对于含水率较低的改性土体，冻融不是其危害的主要因素；在含水率较大时，除含水泥试件（Ⅱ－2，Ⅲ－8，Ⅳ－10，Ⅵ－4，Ⅸ－10系列）外其他试件都有不同程度的裂缝出现（见图3），说明冻融对改性土体的破坏会比较明显，而掺5%～10%水泥可以很好地改善土体的抗冻融性，料姜石和熟石灰对其抗冻融也有一定作用.

图3 冻融裂缝Fig.3 Crack after freezing－thawing test

表7 正常冻融循环记录Table 7 Normal freezing－thawing cycle record

3.6 湿化试验

耐水性能对于城墙加固保护也是一个重要技术指标.水流沿着土体孔隙渗入其内部，破坏土体内部结构，从而加剧土体的破坏［4］.本试验将试件浸泡在水中，研究在静水压力作用下试件的耐水性能，如图4所示.观察记录试件在水中破坏变化过程，测试其湿化速度及崩解状态，以反映各试件的耐水性能.

图4 浸水试验Fig.4 Water immersion test

改性土的固化机理与深层搅拌法的固化机理类似，即通过水泥（石灰）的水化、凝固作用使得城墙夯土工程特性得以改善.本试验中，掺入少量水泥即可很好地填充土体空隙，从而在很大程度上降低改性土体的空隙率，改善土体的耐水性能.试验结果显示，水泥掺量≥5%的试件在水中基本不崩解.

试验表明，水泥掺量为5%～10%的改性土体其耐水能力有极大提高；只加料姜石对土体耐水性能作用甚微；5%～10%的熟石灰掺量对改性土体耐水性能有一定的作用，但影响较小.

3.7 冲刷试验

参考程晔等［8］抗冲刷室内模型设计图，完成本次试件抵抗冲刷能力试验.在相同压强下冲以同量水后记录试件表面变化情况，从而反映各试件抵抗雨水冲刷的能力.由于此次试验试件制作较为困难，故本次试验选用湿化试验中比较典型的配合比（Ⅰ，Ⅵ，Ⅷ，Ⅸ系列）来制作100mm×100mm×300mm试件.

作用机理：改性夯土体通过料姜石和水泥（石灰）的水化作用使得其强度有适当的提高，在雨水冲击力作用下表面受损较小，从而保护了土体内部结构，使得雨水较难进入土体内部，少量进入内部的水分子作用机理等同于湿化试验，从而很好地保护了夯土土体.

抗冲刷试验结果见图5（由左至右为Ⅷ，Ⅸ，Ⅵ，Ⅰ系列试件）.由图5可见，与耐水试验结果基本相同，系列Ⅰ和Ⅷ试件表面受损程度相当严重，而系列Ⅵ和Ⅸ试件则基本未受影响.说明在城墙加固的原则下加一定量的料姜石和熟石灰对土体抗雨水冲刷性能的影响较小，而加入5%～10%的水泥可极大地提高其抗冲刷能力.

图5 抗冲刷试验Fig.5 Rain wash resistance test

3.8 实践结果

2012年7月27日榆林地区遇到了百年一遇的特大暴雨，经调研得知应用改性夯土加固过的墙体完好无损，而该地区其他加固中的城墙都有不同程度的受损.实践证明本次试验较符合实际情况.由于榆林城墙为国家文物保护单位，修复好的城墙不允许进行人为再次破坏，无法进行试样挖取，从而无法得到实测数据，只能用表观现象来说明实践检验结果.

4 结论

（1）兼顾遗址维修的基本原则及满足耐候性、耐盐腐蚀、耐水性能和抗雨水冲刷性、抗冻融等耐久性要求，榆林卫城南城墙改性土体取Ⅳ系列配合比（80%土、5%熟石灰、10%料姜石、5%水泥）较为适宜.

（2）夯土城墙中料姜石的作用不及水泥和熟石灰，而原有城墙里含有此类物质，推测是为了起到熟石灰的作用而加入的.

（3）以上加固保护材料配置是在修复古城墙遗址的基础上得出的，由于国内外对修复古城墙遗址的研究较少，因而只能用实践证明改性土起到了保护的作用.然而对古建筑的加固保护，还需在修旧如旧、可识别、可拆除等原则方面做更深入的研究.

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