新型生態(tài)三合土技術在文保修繕項目中的應用探索

摘 要：新型生態(tài)三合土技術在傳統(tǒng)三合土技術的原理和工藝上進行創(chuàng)新改良，不僅保留了傳統(tǒng)三合土技術的原汁原味，表面強度大，耐磨性好，不起灰、不起泥，而且抗折、防滑、耐水耐凍性能均遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)三合土，同時施工周期短，較傳統(tǒng)工藝施工效率高，開放時間快。以新型生態(tài)三合土技術在某紅色文物單位地坪的三合土工程項目的應用為例，就地使用泥土，夯實成高密度、高強度生態(tài)泥土場地地面、廣場道路所涉及的材料配比，在施工機具、施工工藝、性能特點等方面進行研究，為新型生態(tài)三合土技術在文保修繕項目中的生態(tài)地坪、景區(qū)道路的應用提供可行性參考。

關鍵詞：三合土；新型三合土；生態(tài)地坪；文保修繕；考古保護

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.14.015

在傳統(tǒng)的建筑施工工藝中，三合土層憑借其優(yōu)異的性能被廣泛應用在建筑工程中，如墻面、屋面、地面等。古代三合土修建的古建筑至今仍部分存在，如秦時直道、西安明城墻、天津大沽炮臺、福建土樓及各地存留的大量民間圍墻、民居、地面等。根據(jù)史料記載，三合土在明代已經(jīng)在建筑建設中使用，隨著時代和科技的進展，三合土的組成材料也發(fā)生了變化，三合土的強度也在不斷地提高，以致越來越多的古建筑出現(xiàn)了三合土的身影，一些傳統(tǒng)建筑的三合土中還加入了紅糖、蛋清、糯米等有機原料。隨著時間的推移，三合土在組成材料的物理、化學作用下，不斷產(chǎn)生強度更高的碳酸鈣，大大提升了三合土的物理性能。理論上來說傳統(tǒng)三合土隨著時間的推移性能越來越好，但隨著歲月的流逝，受三合土本體成分、夯實結構、氣候環(huán)境、地址基礎等因素影響，傳統(tǒng)三合土需要進行保護與修繕。文物保護的一個基本原則就是“保存文物的原狀”。根據(jù)保護理念，需要遵循修舊如舊、環(huán)保生態(tài)的原則進行修繕保護，而且文保部門有快速修復和快速開放的要求。

新修建的傳統(tǒng)工藝三合土工程由于石灰反應時間緩慢，初期的強度、耐水性、抗凍性較差，在文物保護與修復的實際工程中，難以在短時間內快速達到數(shù)十年、數(shù)百年的工程性能。在傳統(tǒng)三合土的原理上進行創(chuàng)新改良，通過使用不同的級配、膠凝材料、環(huán)保型外加劑，采用機械與人工夯實，創(chuàng)新的新型三合土不僅保留了傳統(tǒng)三合土的原汁原味，表面強度大，耐磨性好，不起灰、不起泥，而且抗折、防滑、耐水耐凍性能均遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的三合土，同時施工周期短，比傳統(tǒng)三合土的施工效率高、開放時間快。本方法已在陜西、甘肅、山東等考古修復項目，韶山、桂林、武漢等紅色文物修繕與擴建項目中得到數(shù)十次的應用，得到廣泛好評。

1 原材料物料準備

①土為項目的現(xiàn)場土壤，破碎后粒徑小于5mm。②水泥就近采購南方牌水泥PO42.5普通硅酸鹽水泥。③使用的級配為骨料，是項目地某采石場的5mm～20mm機制碎石骨料。④外加劑采用樂德牌丙烯酸類高分子復合專用外加劑。⑤水取附近水塘的干凈水源（水PH=6.8）。

2 混合料的基本測試

①實驗設備：千分之一電子秤、5mm土工篩圓孔、20mm圓孔土工篩、100mm×100mm試件成型機、液壓脫模機、恒應力試壓儀、擠壓式表面硬度測試儀、恒溫恒濕箱、凍融試驗機、馬歇爾自動擊實儀、土工篩、鼓風干燥箱、鉆芯取樣機等。

②土料物理特性試驗：土料取工程現(xiàn)場的土經(jīng)過粉碎、過篩，使最大粒徑≤5mm，根據(jù)GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》對土進行土工測試，液限指數(shù)31，塑性指數(shù)14，屬于高液限土，理論最大干密度為1910g/cm3，最佳含水量為18.1%。

③混合料主要級配試驗：土料55%～65%、水泥5%～10%、骨料30%～35%的幾個主要不同組合的混合料，參照GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》進行多組土工測試，計算出理論最大干密度在1959～1978g/cm3，最佳含水量在16.5%～17.9%。

3 試驗方法

①應用試驗室主要參數(shù)和配合比指導實際施工，對不同膠凝材料摻量、外加劑摻量及養(yǎng)生方式，并對不同齡期的試件進行7d、28d的抗壓強度，28d吸水率、軟化系數(shù)、表面硬度、凍融強度損失率等相關數(shù)據(jù)的評估，以確定試件各項指標滿足設計要求，并尋求最佳配合比與最優(yōu)施工方式。

②試驗方法。主要配合比采用：泥土60%～65%、水泥5%～10%、骨料30%～35%的配合比，外加劑為上述重量的0.5%～1%的摻量。采用液壓試塊成型機（成型壓力50t），模具尺寸為100mm×100mm，壓制1550g±50g的實心圓柱形試件，并采用多種養(yǎng)生方式進行養(yǎng)護。

4 試驗結果與分析

4.1 不同固化外加劑摻量對性能的影響

在使用定量配合比（泥土55%、骨料35%、水泥10%）的情況下，對不同外加劑用量的試件進行了正交試驗，放入恒溫恒濕的養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護（溫度20°±5°，濕度50%±15%），根據(jù)GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》及相關規(guī)范進行檢測，主要技術指標對比見圖1。由圖1可看出，混合料沒有摻入固化外加劑，在固定配合比的情況下，性能指標遠不及摻入外加劑的組，在定量10%水泥摻量的情況下，隨著外加劑用量的增大，7d強度和28d強度隨之加大，軟化系數(shù)和凍融強度損失指標也隨之增強。在外加劑僅僅0.5%7d強度就能達到10.83Mpa，相當于標準磚MU10的強度標準，28d強度和吸水率、軟化系數(shù)、25次凍融循環(huán)強度損失率均比沒有使用外加劑的有大幅改變，特別是表面硬度的大幅改善，使表面耐磨性得到極大的提升。當外加劑摻量為1%時，各項指標達到最佳值。圖1的數(shù)據(jù)顯示外加劑用量在0.8%時，性能指標和經(jīng)濟性較為匹配。

4.2 不同水泥摻量對性能的影響

使用定量9%水泥摻量及0.8%外加劑摻量的情況下，對新型三合土的試件進行正交試驗，放入恒溫恒濕的養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護（溫度20°±5°，濕度50%±15%），根據(jù)GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》及相關規(guī)范進行檢測，主要技術指標對比見圖2。由圖2可以看出，使用定量9%水泥摻量及0.8%外加劑摻量的情況下，沒有摻予水泥的組，強度很低，但在外加劑的作用下，仍能稍微高于傳統(tǒng)三合土的強度，但軟化系數(shù)及表面硬度較差，這一點說明外加劑在改善土壤本身的吸水性和提升土體強度上有較大作用。隨著水泥用量的增大，7d強度和28d強度隨之加大，軟化系數(shù)和凍融強度損失指標也隨之改善。水泥摻量達到10%時指標最好。水泥摻量大于9%以后，雖抗壓強度仍有小幅提升，但吸水率、軟化系數(shù)和凍融損失不見太明顯增強。分析圖2可見，水泥摻量在9%性能指標和經(jīng)濟性匹配較好。

4.3 不同泥土、骨料的摻量對性能的影響

在定量水泥9%、外加劑0.8%的條件下，將泥土與骨料的配合比進行調整，并對試件進行了正交試驗，放入恒溫恒濕的養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護（溫度20°±5°，濕度50%±15%），根據(jù)GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》及相關規(guī)范進行檢測，主要技術指標對比見圖3。

由圖3可以看出，使用定量0.8%外加劑、9%水泥摻量的情況下，對泥土與骨料配比進行調整。泥土越多強度越低，隨著泥土的減少和骨料的增加，7d強度和28d強度隨之加大，軟化系數(shù)和凍融強度損失指標、表面強度也隨之改善。泥土摻量55%，骨料摻量36%時所有指標均為最好。泥土摻量大于65%后，所有指標均大幅降低。分析圖3可見，泥土摻量在55%～60%，骨料摻量在30%～36%時性能指標和經(jīng)濟性匹配較好。

4.4 不同養(yǎng)護環(huán)境下對性能的影響

為了研究不同條件下新型三合土固化機理及性能上升的過程，采用泥土55%、骨料26%、水泥摻量9%，外加劑摻量為上述配比總重量的0.8%的定量配合比，使用成型壓力機壓制成型的試塊對不同濕度、溫度和是否覆蓋等不同養(yǎng)生方法條件下的性能變化做對比試驗，詳見圖4。

由圖4可見，采用不同的養(yǎng)生方式，試塊早期強度和28d強度均有所差別，在避免陽光直射的陰處和長期保持濕潤狀態(tài)能得到良好的水化，而不覆蓋采用澆水養(yǎng)護的方式，使新型三合土的性能發(fā)揮得不是很好，強度低、表面強度差；而保持溫度20°±5°、濕度50%±15%恒溫恒濕的狀態(tài)，則效果最佳。試驗也證明采用在自然條件下薄膜養(yǎng)生的方式性能指標較好。

5 具體施工法探索

5.1 基本簡介

實施地是某紅色文物（偉人故居）的曬谷坪，面積245平方米，包括場地地面、水溝、臺階等。南面緊靠山坡，有少量山體泉水滲出，土質為高液限頁巖風化土，現(xiàn)有場地為20年前澆筑混凝土面層且多處開裂破損。整個施工區(qū)域位于高臺之上，無法實施壓路機、刮平機等規(guī)范化作業(yè)機械。工程作業(yè)時間共計五天，基本采用小型設備和人工作業(yè)的方式進行，養(yǎng)生后效果基本達到預期，其抗壓強度、表面強度、平整度、耐水性和原生態(tài)的美觀度得到廣大游客的好評。

5.2 施工機具設備

土料破碎機、500kg電子秤、水平儀、7.5kW強制性攪拌機、水泵、水罐、汽油夯機、刮尺、自制專利三合土混合料攤鋪機、自制專利三合一收面機、自制木工拍子。

5.3 底基礎處理

破除原來的混凝土地面，使用夯機將底層夯實穩(wěn)固，使用高程及水平儀確定高度和散水走向，進行底基層的平整。

5.4 混合料配比

根據(jù)試驗得出的最佳配合比，確定現(xiàn)場實施配合比為：泥土55%，骨料36%，水泥9%，外加劑是上述混合料重量的0.8%。

5.5 施工步驟

①制備外加劑稀釋液。根據(jù)土工試驗計算混合料最大干密度條件下的最佳含水量，測定當日現(xiàn)場混合料含水量為15.1%，最佳含水量-現(xiàn)場含水量+3%=所用的稀釋水量，即17.3%-15.1%+3%=5.2%，計算出需要的水量為20.8kg，外加劑重量為3.2kg，將外加劑均勻地稀釋在上述重量的水中。

②準備干混合料。根據(jù)攪拌機的功率和速度，為攪拌均勻，每一次攪拌的混合料重量為400kg，即每一次的各組分為：泥土220kg、骨料144kg、水泥36kg。

③拌和混合料。將準備好的混合料投入強制式攪拌機中，先進行干料的攪拌，攪拌機轉速應大于150r/min，攪拌時間不少于5min，然后使用第一步制備好的外加劑稀釋液，均勻地噴灑在混合料中，攪拌機繼續(xù)攪拌，攪拌時間不少于5min。

④出料攤鋪。一般攤鋪厚度為夯實厚度的1.3～1.5倍，攤鋪厚度約12cm，夯實厚度為8cm，采用人工刮尺配合機械找平。

⑤夯實。首先采用夯實器進行振動和人工踩實，確保已達到初步密實；其次利用水平儀確定標高并適當進行高程找平；再次使用汽油夯機進行振動夯實；最后使用人工進行拍打收面。作業(yè)完成2～3h后，采用塑料薄膜進行覆蓋養(yǎng)生，養(yǎng)護時間7d。

6 結論與展望

通過不同的泥土、骨料、水泥的級配組合、外加劑摻量比例及不同的養(yǎng)生方式、進行施工性試驗，并對不同齡期的試塊進行測試，以尋求最佳配合比與最優(yōu)施工方式。結論認為：泥土使用量55%～60%，水泥摻量5%～10%，外加劑摻量0.5%～1%，采用覆膜養(yǎng)生的方式，多項性能指標上遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)三合土。經(jīng)過大量的測試，使用泥土55%、骨料36%、水泥9%的組合與0.8%外加劑的配比，且認為其性能指標與經(jīng)濟性最為匹配。并將此配比用于實際施工，經(jīng)第三方權威檢測，鉆心取樣致密完整、7d無側限抗壓強度達到11.8Mpa，抗折強度達到4.51Mpa，回彈模量66.3Mpa，表面強度HA達到110，25F凍融強度損失率小于5%，證明這種新型工藝有著施工工藝和操作設備簡單、環(huán)保生態(tài)效果好、開放時間快、抗壓強度高、特別優(yōu)異的耐水性等特點，完全可代替?zhèn)鹘y(tǒng)三合土。因此這種工藝在文物單位的三合土地面、道路、場坪的修繕重建及考古挖掘、復原、護坡、通道建設等方面的應用有著積極意義。

參考文獻

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