CN112500035A - 土遗址微收缩裂隙注浆材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于遗址保护技术领域，公开了一种土遗址微收缩裂隙注浆材料及其制备方法和应用，该材料是将遗址原生土、偏高岭土、氢氧化钙、木质素磺酸盐和三氧化二铝经过筛、混匀即得。本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料具有微收缩、力学性能与兼容性好、耐候性强和施用后美观等特点；本发明的制备方法简单易操作；本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料适用于土遗址保护。

Description

土遗址微收缩裂隙注浆材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于遗址保护技术领域，涉及一种遗址裂隙注浆材料及其制备方法和应用，具体地说是一种土遗址微收缩裂隙注浆材料及其制备方法和应用。
背景技术
土遗址是古代劳动人民在历史长河中智慧的结晶，是一种非常重要的历史遗址，具有很大的历史、科学、艺术和社会价值，土遗址的保护和发扬是每一个人应肩负的历史责任。由于土遗址长期暴露在野外，受自然环境、历史事件以及人为活动的影响，我国众多土遗址裂隙严重，普遍面临坍塌消失的威胁。尤其裂隙的不断发育若不及时进行治理，还很容易引发坍塌、崩落等次生灾害。因此，开展对裂隙加固的研究已迫在眉睫。
目前土遗址裂隙加固多采用裂隙注浆和锚固，广泛使用的土遗址注浆材料包括硅酸钾(即PS)和改性聚乙烯醇(即SH)，虽然经PS注浆加固后提高了土遗址强度和抗风蚀能力，但PS材料的强收缩性易导致加固后与遗址本体一同脱落影响注浆加固效果；SH试剂属于有机材料，与遗址本体兼容性不高，由于改性后的聚乙烯醇耐候性较差，往往导致注浆后土遗址的长期保存效果不佳。而土遗址裂隙锚固技术又对遗址本体情况要求高，且加固后突兀不美观，有碍于观瞻。
现阶段多地区土遗址保护工程实施后出现再次开裂等问题，急需开发一种微收缩、兼容性好、耐候性强且有助于遗址长期保存和观瞻、研究的裂隙注浆材料。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种土遗址微收缩裂隙注浆材料，以获得一种微收缩、力学性能与兼容性好、耐候性强且有助于遗址长期保存、观瞻和研究的土遗址微收缩裂隙注浆材料；
本发明的另一个目的，是要提供上述土遗址微收缩裂隙注浆材料的一种制备方法；
本发明还有一个目的，是要提供上述土遗址微收缩裂隙注浆材料的一种应用。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种土遗址微收缩裂隙注浆材料，制成所述土遗址微收缩裂隙注浆材料的有效成分的原料按重量份数计，包括：遗址原生土50-60份、偏高岭土8-13.5份、氢氧化钙9-12份、木质素磺酸盐0.21-0.48份、三氧化二铝0.3-0.7份和水30-35份。
作为本发明的限定，所述遗址原生土是经过筛后烘干制得。
作为本发明的进一步限定，所述过筛的筛网孔径为35-45目。
所述过筛过程去除原生土中杂质，排除外界杂质干扰，增强注浆效果。
作为本发明的更进一步限定，所述烘干的温度为105-110℃、时间为11-13h。
所述烘干过程最大限度去除原生土中有机物，防止其干扰注浆材料的膨胀、硬化效果。
本发明的原料组成和剂量是根据原料特点经过大量的反复筛选试验确定的，随意改变原料组成和剂量均不能达到预期应用效果。
本发明还提供了上述土遗址微收缩裂隙注浆材料的一种制备方法，它是取所有原料混匀，即得所述土遗址微收缩裂隙注浆材料。
作为本发明的限定，所述混匀是利用搅拌机以90-120r/min的转速搅拌10-20min。
本发明还提供了上述土遗址微收缩裂隙注浆材料的一种应用，所述土遗址微收缩裂隙注浆材料用于以注浆方式填补土遗址裂隙，修复、保护土遗址。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：
(1)本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料属于无机加固材料，与遗址原生土体具有良好的兼容性，其中的三氧化二铝用作膨胀剂，能够在注浆材料凝固过程中抵消水分蒸发带来的体积收缩，防止注浆材料与遗址原生土体脱离，相较于其它膨胀剂，三氧化二铝与原生土兼容性更好同时更经济；
(2)本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料通过加入木质素磺酸盐作为减水剂，使注浆材料具有良好的流动性，在加固微小裂缝时能够充分填充裂隙内部，增强土体力学性能；在搅拌过程中，土体颗粒分子间具有引力作用，使水包裹在泥土颗粒之间，不能参与自由流动和润滑作用，从而影响了拌合物的流动性；加入木质素磺酸盐后，木质素磺酸盐分子定向吸附在土体颗粒表面，使颗粒表面带有同种电荷，形成静电排斥作用，促使颗粒相互分散，释放出被包裹的部分水，参与流动，从而有效地增加拌合物的流动性；同时，木质素磺酸盐中的亲水基极性很强，使泥土颗粒表面的木质素磺酸盐与水分子形成一层稳定的溶剂化水膜，这层水膜具有很好的润滑作用，能有效降低土体颗粒间的滑动阻力，从而提高流动性；
(3)本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料中加入偏高岭土，使偏高岭土中的活性成分水合硅酸铝与氢氧化钙反应生成具有凝胶性质的水化钙铝黄长石和二次C-S-H凝胶，这些水化产物使注浆材料的抗压、抗弯、劈裂抗拉强度与韧性等力学性能增强，且由偏高岭土水化生成的产物后期强度仍不断增长，有利于对土遗址的修复和长期保护；
(4)本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料中原料选择和用量经多次试验确定，所得注浆材料透气性良好，加入遗址原生土与遗址本体兼容性好，无锚固的机械构件不影响观瞻；
(5)本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料制备方法简单、原料就地选取遗址原生土、成本低廉、能耗低、无毒、耐老化适用于工业化生产；
综上所述，本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料组分合理，不仅解决现有技术中裂隙注浆材料收缩性过强、兼容耐候性差等问题，且原料易得，安全环保；本发明的制备方法易于控制，适于工业生产；本发明的制备方法适用于制备土遗址微收缩裂隙注浆材料，所制得土遗址微收缩裂隙注浆材料适用于土遗址保护。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明；
图1为本发明实施例16中浆-土模拟样品的制作图示；
图2为本发明实施例16中浆-土模拟样品制作后实物图；
图3为本发明实施例16中剪切力测试结果，是由实施例1制备的注浆材料的剪应力-剪位移曲线；
图4为本发明实施例16中剪切力测试结果，为土遗址原生土的剪应力-剪位移曲线；
图5为本发明实施例16中由实施例1、6和11制备的注浆材料ZJ-1、ZJ-6和ZJ-11的收缩性测试结果；
图6为本发明实施例16中由实施例1、实施例6和实施例11制备的注浆材料ZJ-1、ZJ-6和ZJ-11的色差检测结果；
图7为本发明实施例16中由实施例1、实施例6和实施例11制备的注浆材料ZJ-1、ZJ-6和ZJ-11的透气性检测结果。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明，应当理解所描述的实施例仅用于解释本发明，并不限定本发明。
实施例1一种土遗址微收缩裂隙注浆材料的制备方法
本实施例制备一种土遗址微收缩裂隙注浆材料，其中部分原料及来源为：
遗址原生土取自榆林地区土遗址原生土；
偏高岭土购自国药集团化学试剂有限公司；
氢氧化钙购自国药集团化学试剂有限公司；
木质素磺酸盐购自国药集团化学试剂有限公司；
三氧化二铝购自国药集团化学试剂有限公司。
该制备方法按照如下步骤实施：
将遗址原生土经40目筛网过筛，去除大颗粒和杂质，与偏高岭土105℃烘干12h，称取烘干后的遗址原生土52.5kg、偏高岭土13.2kg，再称取氢氧化钙9.8kg、木质素磺酸盐0.35kg、三氧化二铝0.3kg和水34.5kg，将所有原料加入搅拌机，转速为100r/min，搅拌10min，制得土遗址微收缩裂隙注浆材料，标记为ZJ-1；
所得土遗址微收缩裂隙注浆材料以注浆方式填补土遗址裂隙，用于对土遗址的加固保护。
实施例2-15土遗址微收缩裂隙注浆材料的制备方法
实施例2-15分别为一种土遗址微收缩裂隙注浆材料的制备方法，它们的步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于原料用量及工艺参数的不同，具体详见表1：
表1实施例2-8土遗址微收缩裂隙注浆材料的制备工艺
Figure BDA0002797963910000061
表2实施例9-15土遗址微收缩裂隙注浆材料的制备工艺
Figure BDA0002797963910000062
实施例2-15其它部分的内容，与实施例1相同。
实施例16土遗址微收缩裂隙注浆材料的性能检测
试验仪器：电子天平(慈溪市天东衡器厂HX1001TX型)，电子调温电热套(北京科伟永兴仪器有限公司，MH-2000型)，冻融循环试验机(PT-2033C型东莞市宝大仪器有限公司)，色差仪(爱色丽色彩科技有限公司)，万能材料试验机(东莞市高泰检测仪器有限公司)，非金属超声波仪(海创高科HT-225A)，阻尼抗钻(意大利SINT Technology公司)，直剪仪(河北航信仪器公司)；
I.力学性能试验
Ia.抗压测试
①试验材料：
实施例1、实施例6、实施例11制备的注浆材料ZJ-1、ZJ-6、ZJ-11；榆林地区土遗址原生土作空白样品；
②试验材料处理：
将上述试验材料经冻融循环老化处理，老化周期为7天；
③试验方法：
根据工程岩体试验方法标准(GB/T50266-2013)，进行单轴抗压强度试验对注浆材料ZJ-1、ZJ-6、ZJ-11和空白样品进行抗压力测试，公式如下：
p＝P/A
注：A为剖面面积，以平方公分为单位；p为抗压强度，以千帕为单位；P为压力，以公斤为单位；
④试验结果：
分别检测老化处理前后注浆材料和空白样品的单轴抗压强度数值，试验结果见表3-4：
表3试样的单轴抗压强度数值
Figure BDA0002797963910000071
Figure BDA0002797963910000081
表4老化后试样的单轴抗压强度数值
Figure BDA0002797963910000082
由表格中数据可知，三种配比的注浆材料的抗压强度均高于对照材料，有29-48％的提升；在经4个周期冻融老化后抗压强度降低4.45-6.44％，老化8个周期后强度降低到10.33-11.45％，这是由于冻融循环破坏了试验材料内部的结构，从而降低了其整体性，导致在进行单轴抗压试验时试样强度降低，但经老化后的ZJ-1、ZJ-6、ZJ-11注浆材料抗压强度值仍能保持良好的数值，表明本发明制备产品有助于土遗址裂缝修补加固。
Ib.剪切力测试
①试验材料：
实施例1制备的注浆材料ZJ-1用作浆体；
由榆林地区土遗址取得原生土体用作原状土体；
②试验材料处理：
将上述试验材料经冻融循环老化处理，老化周期为7天；
制备图1所示的原状土体样品：将榆林地区土遗址取得的原生土体倒入环刀模具制得原状土体；
制备图1所示的浆-土模拟样品：在原生土体上放置环刀模具，将注浆材料ZJ-1直接在原生土体上倒模形成浆-体界面样品；
③试验方法：
采用直剪仪(六连剪切仪)，参照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)分别在垂向荷载50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa条件下对浆-土模拟样品和原状土体样品进行剪切试验，检测浆-土界面性能，计算绘制剪应力-剪位移曲线(见图3-4)；
④试验结果：
上升段：剪切位移-剪切应力曲线中，其直线段一方面反映了结构面的强度，另一方面反映了剪切面在一定荷载下的滑移情况，直线的斜率越大，其在一定荷载下的位移越小；图3与图4中峰值强度均出现在位移5-7mm处，但原状土体样品峰值强度出现在5-6mm处，在一定的垂向荷载作用下，浆-土界面的直线段斜率小于原状土体样品，表明浆体-原状土体界面的粘结强度稍小于原状土体的粘结强度。
峰值强度：由图3与图4可知，在一定条件下，各试样峰值强度与垂向荷载成正相关；在相同垂向荷载的作用下，两试样的峰值强度接近，表明该注浆材料ZJ-1与原状土体界面的抗剪强度可以满足裂隙加固要求。
Ic.波速测试
①试验材料：
注浆材料：实施例1、2、6、7、11和12制备的注浆材料ZJ-1、ZJ-2、ZJ-6、ZJ-7、ZJ-11和ZJ-12；
原土样品：由榆林地区土遗址取得的原生土；
②试验材料处理：
将上述试验材料经冻融循环老化处理，老化周期为7天；
③试验方法：
根据工程岩体试验方法标准(GB/T50266-2013)，进行岩体声波速度测试，检测老化前及老化4个周期、8个周期的试验材料波速；
④试验结果：
声波波速取决于土遗址内部的密实度、含水量等其它情况，与土遗址文物密实度的力学强度成正相关，而力学性能强度又直接反映土遗址目前的风化程度，物质越密实超声波速率越快；
具体波速检测结果如下：
表5试验材料波速
Figure BDA0002797963910000101
表6老化后试验材料波速
Figure BDA0002797963910000102
Figure BDA0002797963910000111
由表5-6可知，注浆材料的波速均高于原生土样的波速，老化4个周期后，注浆材料波速下降率在3％左右，而原土样品波速下降率为8.1％；老化8个周期后，注浆材料波速下降率在2.5％左右，而原土样品波速下降率为12.2％；即注浆材料冻融老化后波速下降小，抗风化效果更佳。
综上所述，本发明的土遗址裂隙注浆材料具有力学性能好的特点。
II.物理性能
IIa.耐崩解性试验
①试验材料：
实施例1、实施例6制备的注浆材料ZJ-1、ZJ-6；
由榆林地区土遗址不同区域取得遗址原生土-1、遗址原生土-2；
②试验材料处理：
③试验方法：
根据工程岩体试验方法标准(GB/T50266-2013)，进行耐崩解性试验，检测试验材料耐崩解性能，记录现象与结果；
④试验结果：
具体现象与结果见表7：
表7崩解试验结果
Figure BDA0002797963910000112
Figure BDA0002797963910000121
结果表明，相较于遗址原生土-1和遗址原生土-2，本发明的土遗址微收缩裂隙注浆材料ZJ-1、ZJ-6，开始掉渣时间更晚，完成崩解耗时更长，具有较好的耐崩解性能。
IIb.收缩性测试
①试验材料：
注浆材料：实施例1制备的注浆材料ZJ-1、实施例6制备的注浆材料ZJ-6、实施例11制备的注浆材料ZJ-11；
原生土材料：榆林地区土遗址原生土；
②试验方法：
参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)进行收缩性试验，检测本发明注浆材料的收缩性；
③试验结果：
土有在晾干过程中收缩的性质，注浆材料在加固土遗址时其收缩程度影响着土遗址的长期稳定性；
收缩性试验结果如图5所示，由图可知，整体来看，各材料收缩变形分为三个时期：前期近似为直线收缩，材料的收缩很快；中期短暂过渡，随着含水率的降低失水速度逐渐变缓；后期稳定后近似直线，收缩率基本稳定，材料不再收缩；
从收缩率天数变化可知，三种注浆材料失水收缩快于原生土材料，30天收缩率接近1％；原生土材料收缩较慢，30天时收缩率达0.7％左右；收缩率在一个较小的变化范围；因此本发明的注浆材料能够实现对土遗址裂隙的加固，而且能够与裂隙临近土体紧密结合。
IIc.色差检测
①试验材料：
实施例1、实施例6和实施例11制备的注浆材料ZJ-1、ZJ-6和ZJ-11；②试验方法：
参考CIE1976色差公式以及表色***CIELAB测量物体颜色的色空间的色坐标体系ΔΕ＝[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2，式中ΔL*为明亮度差、Δa*为红绿色度变色、Δb*为黄蓝色度差，三个数值共同计算得出色差值ΔE，ΔE具体评价标准见表8；对水分蒸发后试样颜色改变进行色差检测；判断本发明注浆材料在使用后对遗址观瞻的影响；
表8ΔE评价标准
等级 等级要求 ΔE值
0 无变色 ≤1.50
1 很轻微变色 1.60-3.00
2 轻微变色 3.10-6.00
3 明显变色 6.10-9.00
4 较大变色 9.10-12.00
5 严重变色 >12.00
③试验结果：
检测结果见图6，由图可知，不同组分的三种注浆材料ZJ-1、ZJ-6、ZJ-11在水分蒸发后，色差值在2.7-3.3，处于很轻微变色和轻微变色等级；表明不同配比的注浆材料在水分蒸发后与颜色变化小，注浆修复遗址文物后美观，不影响观瞻。
IId.透气性测试
①试验材料：
实施例1、实施例6、实施例11制备的注浆材料ZJ-1、ZJ-6、ZJ-11和榆林地区土遗址原生土分别用作浆体；
由榆林地区土遗址取得原生土体用作原状土体；
②试验材料处理：
原生土组：将原生土体倒入环刀模具作为原生土组；
模拟注浆样品组：在原生土体上放置环刀模具，分别将注浆材料在原生土体上倒模来模拟注浆过程；
③试验方法：
透气性是考察土遗址保护的另一个重要性能指标；若注浆材料处理后破坏了土遗址内部与外界的交换通道，改变透气性，会导致遗址遭受“保护性破坏”，造成更严重的损毁；
检测加固前后不同浆体的失水质量，△m＝失水前质量—失水后质量，以△m已加固/△m未加固表征透气性，浆体失水系数越大，即加固后透气性越好，“呼吸功能”受影响就越小，遗址修复效果好；
④试验结果：
由图7中可知，虽然注浆材料ZJ-1、ZJ-6和ZJ-11配比不同但透气性相比原生土组变化小，表明本发明的注浆材料具有良好稳定的透气性。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种土遗址微收缩裂隙注浆材料，其特征在于，制成所述土遗址微收缩裂隙注浆材料的有效成分的原料按重量份数计，包括：遗址原生土50-60份、偏高岭土8-13.5份、氢氧化钙9-12份、木质素磺酸盐0.21-0.48份、三氧化二铝0.3-0.7份和水30-35份。
2.根据权利要求1所述的土遗址微收缩裂隙注浆材料，其特征在于，所述遗址原生土是经过筛后烘干制得。
3.根据权利要求2所述的土遗址微收缩裂隙注浆材料，其特征在于，所述过筛的筛网孔径为35-45目。
4.根据权利要求2或3所述的土遗址微收缩裂隙注浆材料，其特征在于，所述烘干的温度为105-110℃、时间为11-13h。
5.权利要求1-4中任一项所述的土遗址微收缩裂隙注浆材料的一种制备方法，其特征在于，它是取所有原料混匀，即得所述土遗址微收缩裂隙注浆材料。
6.根据权利要求5所述的土遗址微收缩裂隙注浆材料的制备方法，其特征在于，所述混匀是以转速90-120r/min的转速搅拌10-20min。
7.权利要求1-4中任一项所述的土遗址微收缩裂隙注浆材料的一种应用，其特征在于，所述土遗址微收缩裂隙注浆材料用于以注浆方式填补土遗址裂隙，修复、保护土遗址。
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