专利名称：潮湿环境土遗址的防水加固方法
技术领域：
本发明属于文物保护技术领域。具体说，本发明涉及一种土遗址加固保护方法。
背景技术：
我国历史悠久，现存的不可移动的文物数量众多，其中很多是土遗址或包含土遗址。由于土结构的易松散性，暴露于野外的土遗址很容易受到风雨等自然因素的破坏，尤其在我国南方潮湿多雨区域，雨水的冲刷和浸渍将使土块松散，并导致土遗址崩塌并失去遗址的文化特征。目前，许多已经发掘过的古遗址，例如浙江的良渚遗址群等，都只能采用“回填”的办法将它们再埋入地下，无法向世人展示，难于体现它们应有的文物价值。因此，土遗址的加固保护技术具有重要的应用价值。
曾经应用过的土结构化学加固材料主要有无机材料和有机材料两大类。
在无机材料中石灰应用的历史最为悠久。土层经过石灰水处理后，防水和抗风化的程度提高，但经石灰处理后的物体表面呈现白色，只能应用于外观白色的部分遗址。作为现代建材上力的水泥具有较好的防水和加固性能，但水泥浆的渗透能力很差，还改变被加固物体的外观，不适合作为土遗址加固材料。目前得到较多应用的是水玻璃(硅酸盐)类材料，如氯化钙和水玻璃灌浆材料，以及高模数硅酸钾材料。申请号CN94108697.6阐述了一种模数为3.8～4.2硅酸钾和不同辅料组成的砾岩灌浆材料，能够加固疏松岩体。申请号CN95100110.8公开了一种模数为3.8～4.2的硅酸钾溶液的制备和加固土质文物的方法。申请号CN02157612.2公开了一种模数为2.8～4.0硅酸钾溶液加固砂岩石雕的方法。但是经过试验发现高模数硅酸钾对潮湿环境土遗址的加固和防水效果不明显。
在有机材料中应用最早的是天然有机材料，如糯米浆，蜡和桐油等。但由于渗透性、耐侯性或外观等原因，这些材料已很少用于土遗址的加固。随着现代高分子科学的发展，已经试用过的材料很多。典型的有环氧树脂，丙烯酸树脂等，经过树脂处理后土块的强度和防水性都可得到提高。但经高分子材料处理后文物的外观容易改变，同时高分子材料耐老化性能没有无机材料好。改进的办法是使用硅或氟的化合物，如申请号CN200310108663.7公开了一种能用于潮湿环境土遗址加固的有机硅保护材料，该材料能在不影响外观和透气性的前提下改善土遗址的耐候性和强度；申请号CN200410041244.0公开了一种用氟橡胶材料保护文物的方法，声称能够基本不改变文物的外观。但是这些加固材料都需要用有机溶剂来稀释，对环境保护有一定的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种潮湿环境土遗址的防水加固方法。
为了达到上述目的，本发明结合无机材料和有机材料的优点，使用了一种甲基硅酸盐水溶液作为土遗址加固保护剂。
本发明提供的潮湿环境土遗址的防水加固方法，其特征是使用甲基硅酸盐水溶液作为土遗址加固保护剂，所述的甲基硅酸盐结构为mCH3Si01.5·nM2O，式中M是钠、钾等碱金属中的一种，甲基硅酸盐模数m∶n＝3∶1～1∶3，甲基硅酸盐水溶液浓度范围为0.1～50％，通过渗透的方法渗入遗址土层中，使土遗址得到加固。
本发明的碱金属，以钾为佳。虽然钾盐的成本比钠盐高，但钾盐在水中的溶解度比钠盐大，因此容易制备高模数的甲基硅酸钾产品。用甲基硅酸钾水溶液比用甲基硅酸钠水溶液加固土块的强度和抗水性等性能要好。
本发明的甲基硅酸盐模数最好控制在2∶1～1∶1为佳。若m∶n的值太高，则很难制备透明溶液，渗透性也差；而m∶n的值太低则加固性能差。
本发明的应用于土遗址加固的甲基硅酸盐水溶液的浓度范围最好控制在1～20％。溶液浓度过高，粘度变大，难于渗透，同时会改变被加固土层的外观；溶液浓度过低，则没有加固效果。
本发明甲基硅酸盐水溶液以通过渗透的方法渗入遗址土层中，使土遗址得到加固，或者与一定比例的文物土混合以修补土遗址。
本发明甲基硅酸盐水溶液中可以选择性地加入辅助固化剂，如氯化钙、氟硅酸钠等无机催化剂，也可以加入冰醋酸、乙二醛、醋酸乙酯、醋酸丁酯等有机催化剂，以调整甲基硅酸盐加固剂的固化时间。
本发明甲基硅酸盐水溶液中可以选择性地加入阴离子型和非离子型渗透剂，如快速渗透剂T，渗透剂JFC，或者类似的表面活性剂等，以增加溶液在土层中的渗透深度。
经过甲基硅酸盐水溶液加固后的土层具有下述优点(1)加固强度较高；(2)耐水浸泡；(3)不影响被加固土层的外观。
具体实施为了更详细的阐述本发明的实施方法和优越性，下面结合实验结果进一步详述。
为了在同一基础上比较被加固土样的强度和防水性等相关性质，实验土样根据国家标准GB123-1999的方法统一制作。所用的泥土均取自良渚文化遗址区域附近的红土。泥土先经自然风干(含水量为3％左右)、经2mm筛子筛过后密闭备用。加固后的土样均在第7天进行参数测试。
实施例1称取182.50g风干土，置于2000cm3塑料烧杯中，加入13.35g水以及10.62g模数为1.7含量为50％的甲基硅酸钾水溶液，拌和均匀。分三次放置于5×5×5cm模具中击实，然后脱模。土样养护7天后进行单轴抗压强度测试，测试值为0.60Mpa；抗水性测试，土样放入水中浸泡三天，没有任何崩散现象。
对照样品称取182.50g风干土，置于2000cm3塑料烧杯中，然后加入30.78g水，拌和均匀。分三次放置于5×5×5cm模具中击实，然后脱模，土样养护7天后进行单轴抗压强度测试，测试值为0.44Mpa；抗水性测试，土样放入水中后立刻崩散。
经计算，上述土样的干密度为1.416g/cm3，属于低密度土；甲基硅酸钾的加入量为干土的3％；经甲基硅酸钾水溶液加固后土样抗压强度提高36％，抗水性能大有改善。
实施例2做法同实施例1，但称取风干土为195.54g，加入水量为17.26g水以及同样规格的甲基硅酸钾水溶液11.50g。单轴抗压强度测试值为1.02Mpa；水中浸泡三天，没有任何崩散现象。
对照样品做法同实施例1，但称取风干土为195.54g，加入水量为33.31g水。单轴抗压强度测试值为0.73Mpa；抗水性测试，水中立刻崩散。
经计算，上述土样的干密度为1.533g/cm3，属于中密度土。甲基硅酸钾加入量为干土的3％，结果强度提高40％，抗水性能也大有改善。
实施例3做法同实施例1，但称取风干土为215.31g，加入水量为19.00g水以及同样规格的甲基硅酸钾水溶液12.66g。单轴抗压强度测试值为1.92Mpa；水中浸泡三天，没有任何崩散现象。
对照样品做法同实施例1，但称取风干土为215.31g，加入水量为36.69g水。单轴抗压强度测试值为1.27Mpa；抗水性测试，水中立刻崩散。
经计算，上述土样的干密度为1.688g/cm3，属于高密度土。甲基硅酸钾加入量为干土的3％，结果强度提高51％，抗水性能也大有改善。
实施例4做法同实施例1，但称取风干土为182.5g，加入水量为16.89g水以及同样规格的甲基硅酸钾水溶液3.54g，计算甲基硅酸钾的加入量为干土的1.0％。单轴抗压强度测试值为0.31Mpa。
对照样品1做法同实施例1，但称取风干土为182.5g，加入水量为13.35g水以及同样规格的甲基硅酸钾水溶液10.62g，计算甲基硅酸钾的加入量为干土的3.0％。单轴抗压强度测试值为0.58Mpa。
对照样品2做法同实施例1，但称取风干土为182.5g，加入水量为9.81g水以及同样规格的甲基硅酸钾水溶液17.70g，计算甲基硅酸钾的加入量为干土的5.0％。单轴抗压强度测试值为1.00Mpa。
该实例说明，对于相同密度土，随着甲基硅酸钾加入量增加，抗压强度幅度提高十分明显。
实施例5做法同实施例1，但称取风干土为180.64g，加入22.75g模数为1.7含量为25％的甲基硅酸钾水溶液。单轴抗压强度测试值为0.56Mpa；抗水性测试，水中浸泡三天，没有任何崩散现象。
对照样品1做法同实施例1，但称取风干土为180.64g，加入22.75g模数为1.5含量为25％的甲基硅酸钾水溶液。单轴抗压强度测试值为0.50Mpa；抗水性测试，水中浸泡三天，基本没有崩散现象。
对照样品2做法同实施例1，但称取风干土为180.64g，加入22.75g模数为1.3含量为25％的甲基硅酸钾水溶液。单轴抗压强度测试值为0.44Mpa；抗水性测试，水中浸泡三天，略微有崩散现象。
该实例说明随着甲基硅酸钾模数的降低，被加固土样的抗压强度变弱，同时抗水能力也降低。
实施例6做法同实施例1，但称取风干土为180.64g，加入10.4g水以及10.4g模数为1.3含量为50％的甲基硅酸钾水溶液。计算甲基硅酸钾量为干土量的3％；单轴抗压强度测试值为0.44Mpa；抗水性测试，水中浸泡三天，略微有崩散现象。
对照样品做法同实施例1，但称取风干土为180.64g，加入22.75g模数为1.3含量为25％的甲基硅酸钠水溶液。计算甲基硅酸钠量为干土量的3％；单轴抗压强度测试值为0.36Mpa。抗水性测试，水中浸泡三天，崩散现象明显，但没有完全散开。
该实例说明甲基硅酸钾加固土的强度和抗水性均比相同模数的甲基硅酸钠优越。
实施例7称取20g，固体含量为10％的甲基硅酸钾水溶液于烧杯中，室温条件下静置72h，溶液开始有浑浊现象；继续放置72h，浊度加深，但不凝胶。
对照样品1称取同等数量和规格的甲基硅酸钾水溶液，加入乙酸乙酯1.33g，20min后溶液开始浑浊，1h后凝胶。
对照样品2称取同等数量和规格的甲基硅酸钾水溶液，加入乙酸甲酯1.33g，15min后凝胶。
该实例说明甲基硅酸钾加固剂的凝胶时间可以根据不同需要，加入一种或者几种固化剂进行适当的调整。
实施例8按照实施例1中对照样品制备配方和方法制备空白土样品，室温条件下养护7天备用。
将40g固体含量为10％的甲基硅酸钾水溶液从空白土样的上表面慢慢滴加，控制滴加速度使液体渗透进入土样中，而不是从周围溢出。20min后滴加完毕，将样品中间对半剖开，测量液体渗透深度为2cm。
对照样品1做法同上，但甲基硅酸钾水溶液中加入1％的非离子表面活性剂OP-10(烷基酚聚氧乙烯醚化合物)作为渗透剂，10min后液体滴加完毕，同样达到2cm的深度。
对照样品2做法同上，但将土样的上部用棉纱裹牢，甲基硅酸钾水溶液60min滴加完毕，并保湿60min，将样品中间对半剖开，土样全部被溶液渗透。
甲基硅酸盐水溶液能在基本不改变土层外观的情况下对不同密度的土壤进行加固。甲基硅酸盐模数越高，被加固土层的的抗压强度越高；加入辅助固化剂可以人为控制甲基硅酸盐的凝胶时间；加入渗透剂或改变渗透方式可以调整加固剂的渗透速度或深度。当然在本发明要求的范围内，可以对上面的配方和做法进行适当调整，这并不违背本发明的思想。
权利要求
1.一种潮湿环境土遗址的防水加固方法，其特征是使用甲基硅酸盐水溶液作为土遗址加固保护剂，所述的甲基硅酸盐结构为mCH3SiO1.5·nM2O，式中M是钠、钾碱金属中的一种，甲基硅酸盐模数m∶n＝3∶1～1∶3，甲基硅酸盐水溶液浓度范围为0.1～50％，通过渗透的方法渗入遗址土层中，使土遗址得到加固。
2.根据权利要求1潮湿环境土遗址的防水加固方法，其特征是所述的甲基硅酸盐水溶液模数为m∶n＝2∶1～1∶1。
3.根据权利要求1潮湿环境土遗址的防水加固方法，其特征是所述的甲基硅酸盐水溶液浓度为1～20％。
4.根据权利要求1潮湿环境土遗址的防水加固方法，其特征是所述的甲基硅酸盐水溶液通过与文物土混合以修补土遗址。
5.根据权利要求1潮湿环境土遗址的防水加固方法，其特征是在甲基硅酸盐水溶液中加入加入辅助固化剂为氯化钙、氟硅酸钠无机催化剂，以调整甲基硅酸加固剂的固化时间。
6.根据权利要求1潮湿环境土遗址的防水加固方法，其特征是在甲基硅酸盐水溶液中加入冰醋酸、乙二醛、醋酸乙酯、醋酸丁酯等有机催化剂，以调整甲基硅酸加固剂的固化时间。
7.根据权利要求1潮湿环境土遗址的防水加固方法，其特征是在甲基硅酸盐水溶液中加入阴离子型和非离子型渗透剂，以增加在土层中的渗透深度。
全文摘要
本发明公开了一种用甲基硅酸盐水溶液加固保护土遗址的方法。使用的甲基硅酸盐结构如下mCH
文档编号E02D3/00GK1718936SQ20051005087
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月28日 优先权日2005年7月28日
发明者张秉坚, 曾余瑶, 吴坚 申请人:浙江大学