黄河流经黄土高原携带大量泥沙，在中下游沉积，抬高了河床，形成著名的“悬河”，高出开封市区地平面7～8 m，最高处达10 m以上。较高的河床为开封带来了丰富的地下水，开封地下水位距地表约2～4 m，春季地表水分蒸发强烈，在毛细作用力下，地下水中的盐分随毛管水上升而聚集在土壤表层，周而复始使土逐渐盐碱化，给历史建筑和土遗址的材料性能带来不利影响。

开封城墙有青砖和夯土构成，这些材料具有孔隙多、易吸水、强度低等特点，在温湿作用下，开封城墙墙基表面和内部的城墙土已经遭到损坏，如图1所示。其破坏的本质都归结为水的作用。一方面，地下毛细水带来的不利作用。地下毛细水通过毛细作用携带土壤易溶盐，使之富集于墙基遗址基础，随着温度、水分的变化周期性溶解收缩—结晶膨胀—再溶解收缩，导致墙底潮湿、泛碱严重，循环往复的作用使基础土和底部墙体经受湿涨干缩变化，内部裂隙逐渐发展，结构松散，力学强度降低，最终导致土体松散、墙体剥落等病害。另一方面，开封地处中原，属于典型的温带季风气候，春秋多风、冬季寒冷干燥、夏季炎热多雨，且全年降雨较为集中，常见暴雨、大暴雨等气象灾害。发生较大降雨时，雨滴的平均降落速度为8 m/s对遗址土会产生很大的冲击力。大量雨水冲刷和浸泡，对墙基和城墙土带来直接破坏。冬天较低的气温对墙基和城墙土也会带来冻害，加速城墙表面的粉化。由此可见，水对遗址文物的破坏是最明显的，也是很难避免的，秦虎等^[1]认为毛细水迁移是溶液浸入多孔介质材料的途径之一, 盐溶液中水分的迁移引起盐分的迁移是导致盐害发生的根本原因。李祖勇等^[2]采用黄土模拟遗址土在毛细水作用下的干湿循环，发现土样裂隙不断发展并相互贯通，崩解速度明显上升。

图1(Fig. 1)

图1 被破坏的开封古城墙 Fig. 1 Ruined Kaifeng ancient city wall

针对已破坏的遗址进行修复和加固时，往往面临材料选择问题。谌文武等^[3]认为加固土遗址的材料应具有黏度小、表面张力小、无机盐含量小等特点。Chiari等^[4]认为遗址文物加固材料需要一定的防水性能，同时能够提供良好的力学性能和耐久性。许多学者针对文物的加固保护时都考虑到毛细水的不利因素^[5-7]。和法国等^[8]采用PS材料对西北地区土遗址进行加固保护，发现土遗址的水稳定性、力学强度和抗风化能力都得到提高。谌文武等^[3,9-12]采用高分子SH固土剂和烧料礓石对西北干旱地区遗址土加固，研究改良土的物理、水理性质，并揭示SH材料渗透扩散规律。张虎元等^[13]利用直流电场驱动水分与毛细水上升抗衡，以此探索潮湿环境土遗址加固保护。魏国锋等^[14]研制出钙基液态水硬性加固剂，对潮湿环境土遗址进行了加固保护。周环等^[15]选择PS、WD–10、WD–S、RTV 4种材料对塘山遗址进行加固，结果发现WD–10、WD–S仅能作为防水材料，PS仅作为加固材料，RTV具有良好的防水和加固效果。本文所用粉末型有机硅憎水剂不同于普通防水剂，普通防水剂会形成不透水膜阻止水分进入，同时气孔被堵塞，引起防水层剥离、开裂等现象，使防水层寿命缩短，有机硅类憎水材料可以保持墙体透气并具有较强的耐久性。粉末型有机硅憎水剂多应用于建筑砂浆、石膏的防水性能或用于包封材料^[16-18]，在遗址土的保护领域中尚未看到相关研究。

石灰是人类使用较早的胶凝材料之一^[19]，中国现存的古代建筑、桥梁、城墙等不可移动文物上大都使用了石灰基胶凝材料^[20]。在文物保护方面，由于水泥强度大，孔隙低，与古建筑文物本体不兼容，还会产生可溶盐等问题，而石灰能够规避此类问题，这也是本文用石灰来配制仿遗址土的原因之一。

开封地区对遗址土保护的复杂性有别于西北干旱区和南方潮湿地区，该地区历史建筑和遗迹保护首先要解决水对遗址土的不利作用。如何有效解决毛细水和地表水对开封城墙土和墙基的侵蚀，目前尚未看到相关文献。而对于土遗址劣化机理研究，其修复材料的研究存在更多的困难和挑战；对于土遗址风化现象的处理，尽管已经有一些化学加固剂可供选择，但是从长期的保护效果来看，存在修复材料与既有的遗址土材料不相容的问题，甚至带来土遗址的二次破坏；对于新建的工程而言，保持原貌的土遗址修复技术要求更为严格和苛刻，如何从外向内、从下向上、均质化地对土遗址进行修复，尚未看到相关修复技术和修复设备。

本文结合开封夏季多雨、冬季寒冷的气候特点，利用表面张力疏水特性控制土的毛细作用，探讨开封城墙土修复技术，进而降低开封城墙的盐害、冻害及干缩的不利作用。通过室内仿遗址土改良后的毛细吸水试验、浸水试验和微观分析，探究改良后土样水理性质的变化大小和内在原因。研究方法和结果将对开封遗址土和古城墙基础防潮防水提供新思路。

本研究的目的是探讨改善遗址土的水理性质，鉴于城墙原状土取样受到限制，因此，本文仿遗址土没有完全按遗址土的物理性质和化学成分进行制备，仅选用城墙附近土和石灰2种材料，按照开封城墙土的抗压强度为参考依据，配制仿遗址土^[21]。对中原地区遗址土的力学性能、风化性能等的研究将另文阐述。

试验用土取自开封城墙附近，属于粉土。将粉土自然风干后并根据《土体试验方法标准》^[22]进行常规试验，测得基本物理性质如表1所示；将土过5 mm筛，测得其颗粒组成，如表2所示。

表1(Tab. 1)

表1 城墙附近土基本物理性质 Tab. 1 Basic physical properties of soil near the wall

表1 城墙附近土基本物理性质 Tab. 1 Basic physical properties of soil near the wall 土的类型 相对密度/% 液限/% 塑限/% 塑性指数/% 最佳含水率/% 最大干密度/(g·cm–3) 粉土 2.68 26.71 17.05 9.66 16.64 1.64

表2(Tab. 2)

表2 土颗粒分析试验结果 Tab. 2 Results of soil particle analysis test

表2 土颗粒分析试验结果 Tab. 2 Results of soil particle analysis test 粒径大小/mm <10 <5 <2 <1 <0.5 <0.25 <0.075 百分含量/% 100 100 98.39 98.82 98.20 97.94 66.02

石灰，氧化钙为其主要成分，其化学组成如表3所示。开封古城墙土主要是用石灰提高城墙的力学性能，本文也选用石灰粉和粉土配制仿遗址土，用于研究城墙遗址土的水理性质。

表3(Tab. 3)

表3 石灰粉的主要化学组成 Tab. 3 Main chemical composition of lime

表3 石灰粉的主要化学组成 Tab. 3 Main chemical composition of lime w(CaO)/% w(SiO2)/% w(Al2O3)/% w(Fe2O3)/% w(MgO)/% w(Na2O)/% w(K2O)/% 84.33 3.12 0.42 0.22 1.94 0.09 0.11

有机硅憎水剂：道康宁®SHP–60，主要由硅烷、树脂基材料组成，自由流动性粉末，易在水中分散，易与粉状材料混合，能防止液态水通过表面或毛细管作用渗入已固化的材料。

本文按照遗址土无侧限抗压强度来配制仿遗址土，取少量遗址土，如图2所示，将其制作成边长为50 mm 的立方体，测其无侧限抗压强度分别为1.22、1.36、1.31 MPa，均值1.30 MPa。

图2(Fig. 2)

图2 遗址土样 Fig. 2 Ruins sample

根据试样质量、用水量和实际城墙土的强度值确定石灰粉的掺量。试样制作时，先将石灰粉和土按一定的质量比混合，配制仿遗址土，再加入一定比例的有机硅憎水剂粉末，搅拌均匀，放入击实模具中进行试样制作，试样为 $\varphi \cdot h = 50\;{\rm{mm}}\times 50\;{\rm{mm}}$ 的圆柱形。经前期试验试配，本文确定4类16种试样的仿遗址土，分别含有0、1%、3%、5%质量比的有机硅憎水剂，具体配比如表4所示。

表4(Tab. 4)

表4 掺和配比设计 Tab. 4 Design of sample blending ratio

表4 掺和配比设计 Tab. 4 Design of sample blending ratio 编号 石灰掺量/% 抗压强度/MPa SHP–60掺量/% 编号 石灰掺量/% 抗压强度/MPa SHP–60掺量/% A0 0 0.66 0 C0 3 0.76 0 A1 1 C1 1 A3 3 C3 3 A5 5 C5 5 B0 1 0.68 0 D0 5 0.83 0 B1 1 D1 1 B3 3 D3 3 B5 5 D5 5

土的毛细管在非饱和状态下，与液体接触造成毛细管中的压力上升，液体就会进入土的毛细管中。遗址土与大地相连，地下水通过毛细作用携带可溶盐，经过结晶膨胀—溶解收缩等循环作用，使遗址土出现坍塌、裂隙、泛碱等病害。本试验为模拟遗址土的赋存环境，将仿遗址土改良前后试样置于有毛细水的环境中。具体试验过程如下：在有机玻璃水槽中放置透水石，向水槽中加水，水位应当与透水石顶面持平；取按实验设计养护28 d的试样，进行烘干，称其初始质量；放入水槽透水石上，每间隔0.5 h取出称取质量并放回，记录数据；持续进行24 h，终止试验。计算试样随时间变化的吸水质量，绘制吸水时间–吸水质量曲线，由此得出仿遗址土的毛细吸水特征。

开封属于半干旱地区，降雨较为集中，遗址土浸泡在水中极易发生崩解破坏。目前土的崩解性试验研究尚处于研究探讨阶段，崩解试验尚无统一的测试标准^[23-26]。本试验为定性研究，即将土样浸入静水中，观察并描述试样在静水中的崩解反应。具体试验过程如下：取按实验设计养护28 d的试样，进行烘干，将土样分别放入水槽中的透水石上；在塑料水槽中加水；将土样放入水中，观察记录土样在水中的变化情况并记录时间；描述其崩塌、开裂等现象，分析其耐水性。

地下水通过毛细作用进入遗址土，水位的波动导致遗址底部土体处于干湿循环交替状态，致使遗址土不断经受反复加湿和干燥的剧烈变化，而反复的湿胀干缩使得遗址体内部发育大量的裂隙，内部结构变得更加疏松，严重破坏其原有结构稳定性，为降低毛细作用对遗址土结构的影响，本文开展了土样毛细吸水试验，试验结果如图3所示。

图3(Fig. 3)

图3 吸水24 h土样外观变化 Fig. 3 Appearance change of 24 h water absorption samples

图3给出了不同比例土样吸水24 h后土样外观的变化。由图3可以看到：土样A0已经发生严重变形，向一方倾斜，土样不完整，遭到很大破坏，且表面出现许多细小裂纹。这是因为土样毛细作用剧烈，吸水较多，颗粒间孔隙被水逐渐充满，一方面，颗粒间的毛细作用逐渐变小;另一方面，颗粒接触面变小使得相互约束作用变弱，宏观表现为土体强度降低，土样下半部分受到上部分的压力作用，致使土样产生倾斜变形。土样A1底部微隆起，土样基本完整，表面也有裂缝出现。土样A3基本完整，表面无裂缝，部分表面吸水较少。土样A5完整，底部1/4处于潮湿状态，其余吸水较少。由图3还可知：土样B0底部同样有微变形，表面出现小裂缝；土样B1和B3完整，表面无裂缝，部分表面吸水较少；土样B5完整，底部处于潮湿状态，其余吸水较少。土样C0完整，表面无裂缝，表面吸水；土样C1完整，表面无裂缝，部分表面吸水较少；土样C3完整，底部3/4处于潮湿状态，其余吸水较少；土样C5完整，底部1/4处于潮湿状态，其余吸水较少。土样D0表面无裂缝，表面吸水；土样D1完整，底部4/5处于潮湿状态，其余吸水较少；土样D3完整，底部1/3处于潮湿状态，其余吸水较少；土样D5完整，仅底部处于潮湿状态，其余处于干燥状态。

由此可知，SHP–60对改善土样的毛细作用非常明显，随着SHP–60掺量的增加，毛细吸水上升高度明显降低；石灰的掺入能够有效提高土样的强度，进而提高土样的完整性，同时石灰掺量的增加也改善了土样的毛细作用。SHP–60和石灰改善土样吸水效果也可以从表5和图4得以验证。

图4(Fig. 4)

图4 仿遗址土毛细吸水量随时间变化曲线 Fig. 4 Capillary absorption variation curves with time of imitation ruins

表5(Tab. 5)

表5 毛细吸水试验结果 Tab. 5 Result of capillary water absorption test

表5 毛细吸水试验结果 Tab. 5 Result of capillary water absorption test 编号 24 h吸水质量/g 吸水减少率/% 编号 24 h吸水质量/g 吸水减少率/% A0 56.85 — C0 35.30 — A1 44.52 12.33 C1 9.46 73.20 A3 34.75 38.87 C3 3.75 89.38 A5 6.43 88.69 C5 2.95 91.64 B0 42.92 — D0 34.6 — B1 18.86 56.06 D1 6.88 80.12 B3 8.15 81.01 D3 3.15 90.90 B5 3.40 92.07 D5 2.65 92.34

为了准确表达不同比例土样的吸水质量和吸水时间之间的关系，将记录数据以毛细吸水时间为横坐标、吸水总质量为纵坐标绘制吸水时间和吸水质量关系曲线图，如图4所示。分析表4、5、图4得到如下结论：

1）SHP–60显著改善土样的吸水特性。随着SHP–60掺量增加，土样吸水减少率增加，掺量为5%时，吸水减少率约90%，土样外观完整，有效改善了土样耐水性，表明采用SHP–60改良仿遗址土水理性质是可行的方法。

2）无SHP–60的试样，随石灰掺量的增加，土样吸水减少率逐渐降低。可见，古人在遗址土中掺入石灰不仅可以提高土的力学性能，也可以改善土的吸水性能，进而提高了城墙的耐久性。

3）土中掺入石灰，石灰与土发生化学反应生成结晶体，土颗粒表面更加完整光滑，土颗粒间空隙减少，土更加密实；SHP–60在土颗粒孔隙周围分布较多，形成一层疏水膜，根据毛细作用力形成机理，具有疏水膜的较小孔隙可以产生较大的疏水力，疏水力是C组、D组试样（掺入3%～5%的SHP–60）不吸水的内在原因。

崩解产生的主要原因是由于土体浸入水中后，水进入孔隙或裂隙中产生的不平衡情况，引起土颗粒间扩散层增厚的速度也不平衡，导致土颗粒间斥力超过吸力,引起土柱的周围崩落下来。

土样经历实验室相同环境下浸水后，不同时间下土样状态如图5所示。由图5可知：浸水10 s，土样A0、B0反应较为剧烈，产生大量气泡，开始崩解；土样A1产生大量气泡，土样完整；土样A3、B1、C0、C1、C3、D0均产生少量气泡，外观完整，A5、B3、B5、C5、D3、D5无气泡，外观完整。浸水50 s，土样A0、B0继续崩解，崩解掉落颗粒较多；土样A1开始崩解，已掉落部分土颗粒；土样A3、B1、C0、C1、D0、D1有少量气泡，其中土样C0、D0有少量析出物；其余土样外观完整。浸水120 s，土样A0完全崩解，水变浑浊；A1崩解1/4，B0崩解3/4；C3、B1、C0、C1均有气泡产生；A5、B3、B5、C3、C5以及D组土样无气泡，外观完整。浸水30 min，土样A1完全崩解，土样B0崩解4/5，土样B1、C0、C1、D0顶面吸附较多小气泡，其余土样无气泡。浸水1 d，土样B1、C0、C1、C3、D0、D1侧面吸附大量气泡，土样C5、D3侧面吸附少量气泡。浸水7 d，土样A3、A5外观完整；土样B1崩解少量土渣；土样C0、D0侧面吸附气泡，无崩解；其余土样7 d无崩解，外观完整；土样D5不产生气泡、无崩解，水稳定性最好。

图5(Fig. 5)

图5 仿遗址土样浸水外观随时间变化 Fig. 5 Appearance of the soil sample immersed in the imitation site changes with time

土样浸水后产生气泡的多少能够反映出土样浸水崩解的性能，产生气泡的原因主要是土颗粒之间存在连通的孔隙，当水分进入后，气体被水挤出土外而产生的反应。掺入一定比例SHP–60的土样亲水性明显降低，这是由于颗粒或连接物质表面疏水性提高，材料的憎水特性使得水进入土体的阻力增大，遇到较多的外部水浸泡时耐崩解性明显提高。

为了探究仿遗址土样浸水后，其内部浸水情况，将浸水试验完成后的土样取出，用纸擦去表面水分，通过圆心切面，如图6所示。

图6(Fig. 6)

图6 土样浸水试验7 d切面 Fig. 6 7 d section of soil sample immersion test

由于A、B 两组土样不完整，为方便对比，取C、D 两组土样的切面。由图6可以看到：仿遗址土C0、D0虽然7 d没有发生崩解，但其内部已被水分完全浸湿；掺入SHP–60的土样，耐水性能较好，浸水7 d，只有表面部分被浸湿，土样内部处于干燥状态，同时土样切面底部比顶部干燥，这是因为制作土样采用分层击实，底部土受到击实次数更多，密度要比顶部稍高，以此推出，土样密度高的部分比密度低的部分耐水性能好。

试验结果表明在仿遗址土里掺入3%～5%的SHP–60憎水粉末具有较好的水理性质改良效果。究其原因，因为SHP–60分子较小，能够填充土颗粒之间的部分微孔隙，形成一层防水保护膜，这种保护膜不同于工业建筑砂浆、混凝土的外表防护膜，而是从里到外的全面防护膜，使土样接触毛细水时，材料的憎水基团将水分子抵触在外，增大了土体孔壁的接触角，使水的弯液面呈凸起状，液面产生的疏水力远大于水的渗透力，有效抵御水的渗透。

利用扫描电镜对土体内部进行直接观测，通过将试样放大不同倍数，可以看到仿遗址土内部颗粒形态、颗粒间的接触关系、孔隙特征，探究改良前后土样内部的变化，为揭示仿遗址土的改良特性提供微观结构支撑，本试验采用改良前A0、改良后D5两种土样图片进行分析。

图7为仿遗址土改良前后放大500倍、2 000倍、5 000倍的SEM图片。由图7（a）可以看出，改良前A0颗粒排布不均匀，颗粒间孔隙大且多，颗粒较小，黏结作用较弱；图7（b）展示了改良后土样D5颗粒级配均匀，大颗粒增多，内部孔隙明显减少；由图7（c）可以看到改良前土样A0土颗粒之间的黏结成分，改良前颗粒表面物质单一，只有少量黏土矿物与碳酸钙，黏结作用较弱；图7（d）展示了改良后土样D5土颗粒表面絮状物质增多；图7（f）展示了改良后附着土颗粒上的黏结物，改良前土样A0颗粒表面（图7（e））只有少量松散的片状鳞片，与少量线状纤维，这也是颗粒间黏结的主要物质；图7（g）可以明显看到SHP–60分子包裹土颗粒，鳞片物质减少，大量的SHP–60分子为土颗粒形成防护膜。

图7(Fig. 7)

图7 试样改良前后SEM图及SHP–60的SEM图 Fig. 7 SEM image before and after sample improvement and image of SHP–60 SEM

在仿遗址土掺入SHP–60后，能够提高土颗粒间的胶结能力，且随着掺量的增加而逐渐增强，大量的SHP–60分子颗粒在土颗粒表面形成覆膜作用，结构更加紧密，孔隙明显减少。聚有机硅氧烷在土颗粒上定向排列，其疏水基—CH3朝外，硅原子、氧原子与土颗粒上的某些原子形成配价键和氧键；含氢硅中的Si–H键水解成为Si、H，它与硅端羟基脱水接枝形成长链分子，分子变得更大，更柔软，可增加拒水性，在土颗粒表面形成不溶于水的聚有机硅氧烷树脂膜，产生疏水性；同时由于有机硅主链十分柔顺，其分子间的作用力较弱，表面张力较弱，表面能小，成膜能力强，能有效地将毛细水和液态水隔绝在外，使仿遗址土的耐水性明显提高。

以开封城墙土为研究对象，通过添加石灰进行配制得到仿遗址土，并采用SHP–60憎水剂对土样进行改良，得到以下规律：

1）土样毛细吸水质量与SHP–60掺量有直接影响。随着憎水剂掺量的增加，土颗粒表面尤其是孔隙周围有SHP–60分子覆膜，有效增强土颗粒的疏水特性，宏观表现为其吸水质量明显下降，当掺量达到3%～5%时，吸水质量变化较小。

2）通过浸水试验发现，少量SHP–60的掺量不能提高粉土的耐崩解性能。用石灰配制仿遗址土，不仅能提高土的耐水性，在与SHP–60共同作用下，其改良效果更加明显。

3）试验表明，对开封境内城墙土或遗址土加固保护时，3%～5%掺量的有机硅憎水剂能够有效阻挡地下毛细水对土壤的侵蚀，研究结果为开封遗址土和城墙基础的保护提供新思路。