颗粒级配对酶诱导碳酸钙沉淀加固遗址土的影响研究

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自然风化作用对我国西北地区的土遗址造成了巨大的损害,对其安全赋存也产生了极大的威胁,土遗址的防风化加固成了亟待解决的问题之一。而酶诱导碳酸钙沉淀技术(Enzyme-Induced Carbonate Precipitation,简称EICP)是一种新型的土遗址文物保护技术,可以给土遗址抗风化加固提供新的方案。一般来说,土颗粒级配影响土的内部孔隙和骨架结构,会影响酶溶液、胶结液在土体中的渗透性,最终影响EICP的加固效果。但是在当前的研究中,往往忽略土颗粒级配对酶诱导碳酸钙的影响。因此,有必要对不同颗粒级配的遗址土进行EICP处理,研究其物理力学性质、耐候性能、微观结构的变化,从而解决EICP在不同颗粒级配的遗址土中的适用性问题。本文以粉砂、粉土、粉质黏土这3种颗粒级配的遗址土为材料,进行EICP处理,并设置未经EICP处理的对照组。首先研究了钙源、钙盐和尿素的浓度比以及溶液的滴渗方式对EICP加固不同颗粒级配遗址土的影响。随后开展了干湿、冻融循环试验,检测了3种颗粒级配的遗址土在EICP加固后,其质量、表面硬度、纵波波速和抗剪强度的变化情况,并对微观结构进行分析,研究了颗粒级配对酶诱导碳酸钙沉淀的影响机制,结论如下:(1)我国西北地区的遗址土的颗粒级配主要为粉砂、粉土、粉质黏土这3种类型。在粉砂、粉土、粉质黏土型遗址土的EICP加固中,均可以选择氯化钙为钙源来配置胶结液。由于胶结液中的钙盐和尿素的浓度会影响EICP的加固效果,当氯化钙、尿素的浓度分别为0.75mol/L、1.5mol/L时,最适合这3种遗址土的加固。滴渗溶液时,采用滴渗“酶溶液-氯化钙溶液-尿素溶液”的滴渗顺序有助于达到最佳的加固效果。(2)经过EICP加固后:冻融循环中的粉质黏土表面大范围酥碱,顶部明显掉块,粉土表面小范围酥碱,粉砂无明显酥碱。而干湿循环后的3种遗址土,仅发生轻微的酥碱,外观较完整,没有明显的掉渣、掉块;在干湿、冻融循环后,3种遗址土的质量、表面硬度、纵波波速均减少,且粉砂、粉土、粉质黏土的减少幅度依次增加。相比冻融循环,发现干湿循环中的破坏程度较小,各种物理性质减少幅度偏低,表明EICP加固后的遗址土抵抗干湿循环的能力要优于抗冻融性能;直剪试验结果表明,粉砂、粉土、粉质黏土的粘聚力衰减幅度依次升高,而内摩擦角无明显变化,这说明颗粒级配的差异主要影响EICP后加固试样的粘聚力,但对内摩擦角的影响很小。(3)通过扫描电镜测试和PCAS软件分析发现:冻融循环后,EICP加固后的粉砂、粉土、粉质黏土的表观孔隙率、平均孔隙直径的增长幅度依次提升。孔隙逐渐发育成较大的孔隙,酸钙沉淀与土颗粒之间的胶结效果变弱,削弱了EICP的加固效果,而在粉质黏土、粉土、粉砂中这种削弱效果逐渐减弱;干湿循环过程中,土中的孔隙发育缓慢,土的表观孔隙率、孔隙平均直径缓慢增加。尽管如此,粉砂、粉土、粉质黏土中的孔隙发育状况也有区别,粉质黏土中的孔隙会逐渐发育生成微裂缝,而粉砂、粉土的孔隙缓慢发育,土体结构保持较好。
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