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纳米钙基材料加固遗址土检测方法和效果评价

戴鹏飞  
【摘要】:土遗址是古代人类活动所遗存下来的物证,客观反映了当时人类生存和生活的基本情况,也间接反映了古代劳动人民适应自然、改造自然的能力。文物古迹作为一种特殊的存在形式,具有极高的艺术价值、科学价值和历史价值,兼具了物质和文化的双重属性。文物古迹如此复杂的属性决定了它的“不可再生性”,即文物一旦被破坏,就没可能再复原。作为文物保护工作者,需要做的是通过科学的管理方法和维护技术,使文物古迹尽可能地长期保存下去,同时利用最新的科技手段将有意义的文物进行陈列展示,发挥其应有的价值。风化是我国西北干旱半干旱环境下土遗址发育的主要病害之一。在强劲的风沙流和短时间强降雨的冲击下,风蚀和雨蚀对遗址本体构成了极大的威胁。若不及时采取有效措施,这些珍贵的文物古迹就有可能永久消失在戈壁滩上。从目前的研究成果来看,化学加固法是解决风化问题的主要途径,而化学防风化的核心内容是防风化材料的研制和科学规范的施工工艺。长期以来,防风化材料的缺乏是制约土遗址保护工作发展的一大难题,绝大部分材料停留在实验室测试阶段,仅有极少部分能投入到实际保护工程中,而就是这小部分材料里也存在几年之后发现不适宜土遗址加固应用的可能。当前对防风化材料的研究,普遍集中在对有机材料的研发和测试。有机加固剂有着改性容易、固化强度高、韧性好等优点,然而也存在着兼容性差、不耐老化的缺点;无机材料尽管兼容性和耐老化性较好,但也普遍存在着渗透性较差、固结效果差、过多的引入可溶盐等缺点。石灰,作为一种传统材料,一千多年前就被广泛用于各类型的建筑工程。早在上世纪初期,石灰水作为一种修复材料被应用于石质文物的保护。然而石灰水低浓度的特性大大降低了它的加固效果,往往需要多次反复喷洒才能有所效果,而由此引入的大量水分也不可避免的对文物造成一定破坏。近年来,纳米科技的进步极大地推动了材料科学的发展,也给土遗址保护领域防风化加固剂的开发提供了新的研究方向。国外的研究团队成功研制了纳米氢氧化钙加固剂,克服了传统石灰水浓度低、渗透性差的缺陷,并在雕塑、壁画等保护工程中取得了良好的效果。尽管当前纳米氢氧化钙凭借着良好的固化效果在文物保护领域受到了极大的关注,但是对于土遗址的加固效果还没有系统的研究。根据最新《中国文物古迹保护准则》中对于使用恰当的保护技术的要求,新型材料和施工工艺的应用都必须经过充分的测试,只有在确定该材料有效且对文物古迹长期保存无害才可以投入使用。鉴于上述认识,本论文主要研究内容及成果如下:(1)基于土遗址保护的现场检测和室内测试需求,尝试开发了适用于土遗址的微损钻入阻力仪,其中包括了对仪器工作原理、设计和组装、数据分析等研究内容;通过对不同浓度和不同用量的PS溶液加固后的遗址土重塑样钻入阻力测试,得出了理想的强度变化规律,初步验证了微损钻入阻力仪的适用性。(2)结合纳米氢氧化钙在石质文物加固方面取得的显著效果,采购了商用纳米氢氧化钙加固剂,将其应用于遗址土加固并基于实验室测试方法对加固后力学强度、水稳定性和兼容性作了初步的评价。测试结果表明,CaLoSiL?加固剂的浓度对加固效果有着较大的影响,高浓度E-25 Grey处理后的试样在力学强度和水稳定性方面优于低浓度E-5和IP-5处理后的试样;经过加固处理后的试样渗透性存在小幅度下降;所有经过加固处理后的试样表面均存在一定程度的发白现象。(3)基于二次生石灰制备纳米氧化钙颗粒的方法,设定了600℃、650℃、700℃、800℃和1000℃的煅烧温度,并对煅烧后的产物进行了矿物成分和颗粒形貌分析。XRD、SEM等测试结果表明,分析纯氢氧化钙在各组煅烧温度下均全部脱水,生成了高纯度氧化钙,且800℃煅烧后生成150~300nm,大小均一的球形氧化钙颗粒,分散性良好。采用反相微乳液的方法成功制备了直径约为30nm,长度在100~150nm之间的针状氢氧化钙颗粒,形貌和尺寸高度均一。将得到的纳米氧化钙粉末和纳米氢氧化钙粉末超声分散于乙醇中,添加适量的表面活性剂,制备了能高浓度稳定悬浮的纳米钙基加固剂。(4)分别采用实验室自制的纳米氧化钙和纳米氢氧化钙加固剂,并且以分析纯氧化钙作为参照组,对遗址土试样进行加固处理和效果测试。试验结果表明经过纳米氧化钙和纳米氢氧化钙处理后的试样较未处理试样无侧限抗压强度分别提升了13.5%和25.9%,粘聚力提升了69.8%和97.7%。经纳米氢氧化钙加固剂处理后的试样水稳定性有了大幅度的提高。(5)结合宏观表现和微观结构,对纳米钙基材料的固化机理进行了初步的研究。土-水特征曲线的测试结果表明,加固处理之后的试样内部孔径有变大的趋势。纳米钙基材料进入土体之后发生的碳化反应和火山灰反应是构成加固后土体强度和水稳定性提升的关键环节。从SEM结果来看,钙质胶结物质填充在土颗粒间的孔隙中,对土团颗粒起到支撑作用,大大提高了试样的力学强度和水稳定性。


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