1.本发明属于土遗址保护技术领域的一种原位修复方法，具体涉及一种四合土配方及土遗址病害原位修复方法。
背景技术：2.土遗址保护和修复作为考古学的重要分支之一，是国内外广泛关注的文化艺术和工程交叉学科问题。土遗址建筑原材料强度低，水稳性差，尤其是在水环境的长期作用下，出现土体表层开裂、疏松、起壳、剥离、泛碱、粉化、霉菌，甚至发生大面积土体坍塌。潮湿环境下土遗址保护是一项针对性较强且相对复杂的工作，受地域环境、遗址结构特征等诸多因素的影响，尚无一套成熟、标准的保护技术及加固材料来供以借鉴。基于加固材料与土遗址的兼容性，探求能够在原址中长期应用的耐久性材料具有很大的研究空间。
3.对于土遗址病害的治理效果主要由加固材料及施工工艺所决定。从室内试验角度出发，土体强度、表面硬度、斥水性、渗透性以及改良前后的色差等因素是衡量加固材料能否被成功应用于潮湿环境土遗址的关键标准。以石灰水、碱性硅酸盐为代表的无机材料因其优良的兼容性和耐久性，近年来已成为化学加固的探索方向，但其渗透性、透气性较差，如硅酸钾溶液、丙烯酸树脂等虽然能够有效提高土体抗剪强度但易产生裂纹、表面颜色发生变化。有机材料具有良好的渗透性、黏接性和耐水性，但有机高分子材料存在微生物滋生、耐老化性较差等问题，有机硅酮类渗透性保护材料如正硅酸乙酯在加固保护3年后甚至出现了保护性破坏，这些新型材料使用成本较高，且均达不到令人满意的加固效果。
4.对于遗址本体的加固需满足土遗址保护“修旧如旧”的原则，采用传统的工艺和方法。
5.相比之下，传统胶凝材料成本低廉，虽然在潮湿环境土遗址保护中的应用实例较为欠缺，但其应用潜力是巨大的，尤其是将无机和传统有机材料进行复合能显著改善单一加固效果。
6.针对潮湿环境中的研究对象遗址土而言，尤其在长江中下游地区，地表沉积物中90％以上都为粉土(粒径大于0.075mm的颗粒不超过全重50％，且塑性指数i
p
≤10)，粉土强度较低，这与传统配方使用的细砂(粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85％)差距较大。因此现有技术中，对于潮湿环境下的遗址粉土还尚未提出行之有效的优选加固配方及不同类型病害的原位修复方法。
技术实现要素：7.针对现有潮湿环境下土遗址保护技术中所存在的缺陷，本发明旨在提供了一种基于遗址土所构成的四合土配方及与之对应的施工工艺，将无机和传统有机材料进行复合能显著改善单一加固效果，实现了“修旧如旧”。
8.本发明的四合土配方是有效的潮湿环境遗址粉土改良配方，具备良好的土体强度和结构透气性，修复后能够维持土遗址修复前区域的原有面貌，并针对潮湿环境下土遗址
面临的不同类型病害提供了不同修复工艺，具有较好的工程适用及推广性。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
10.一、一种四合土配方：
11.所述的四合土配方按重量份数计，原料包括以下组分：原有遗址土75份、桐油5份、糯米浆10份、石灰10份。
12.所述的原有遗址土来源于遗址发生病害处的碎块状或散落于地表的碎屑土料，且土料天然含水量≤50％。
13.所述的遗址土的颗粒粒径≤2mm，且遗址土中粒径大于0.075mm的颗粒不超过自身全重的50％，且塑性指数i
p
≤10。这样形成了所限定的遗址粉土，本发明针对遗址粉土能够起到很好的修复作用和结果。
14.所述的四合土中粒径大于0.075mm的颗粒不超过自身全重的50％，且塑性指数i
p
≤10。
15.所述的四合土与遗址土除了碳酸钙矿物以外的矿物种类一致，碳酸钙矿物包括羟钙石和方解石、球霰石、文石等碳酸钙矿物，同类矿物中所有晶体的含量总和质量占比≥90％。
16.所述的桐油是生桐油，且生桐油的主要成分α-桐酸的分子结构中共轭双键未发生氧化或聚合反应。
17.所述的糯米浆是由200g糯米粉和300g水在混合后加热至80℃发生糊化、再自然冷却至20℃而成，加热时间为10min。
18.所述的石灰是熟石灰，优选的，石灰堆积密度为0.8-1.2g
·
cm-3
，更优选的，石灰颗粒粒径范围为1μm-2μm。
19.所述的遗址发生病害包括遗址表层开裂、疏松、起壳、剥离、泛碱、粉化、霉菌、土体坍塌。
20.二、一种四合土配方的土遗址病害原位修复方法，方法包括以下步骤：
21.步骤一：取土遗址病害处的碎块状或散落于地表的碎屑土料，碾碎后风干，选取2mm土工筛下土料，加水至最优含水量，备料待用；
22.所述水为去离子水或蒸馏水。
23.步骤二：按四合土配方的重量计将遗址土、桐油、糯米浆、石灰各组分混合并搅拌均匀制得四合土并密封静置2h，使得各组分分散均匀；
24.步骤三：清理土遗址病害区域，去除已发生或即将发生病害区域的局部表层土体，根据土遗址病害类型进行原位修复工艺；
25.步骤四：定期对土遗址病害原位修复区域进行观测，如再发生劣化进行二次或多次修复。
26.所述步骤四中，定期优选设置为每年1次，梅雨季或台风时设置为每月1次。
27.10、根据权利要求9所述的土遗址病害原位修复方法，其特征在于：
28.所述步骤三中，根据土遗址病害类型进行原位修复工艺，具体为：
29.a)若土遗址病害为表层开裂，则将四合土填补于病害所发展的表层土及深层裂缝中；
30.b)若土遗址病害为表层疏松、起壳、剥离、泛碱、粉化的一种或多种，则将四合土涂
抹覆盖于所清理的病害区域表面，压实并修整，使得修复后的表层土厚度与非病害区域一致；
31.c)若土遗址病害为土体坍塌，则将四合土堆填于土体坍塌处，压实并修整，直至与发生坍塌前土遗址文化层形态尺寸协调一致。
32.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
33.1)本发明针对以粉土为主的土遗址进行加固，显著提高了表面硬度、斥水性、土体强度、渗透性，仅极微地改变了色差(δe＜3)，符合土遗址“修旧如旧”的原则；
34.2)本发明针对潮湿环境下土遗址面临的表层开裂、疏松、起壳、剥离、泛碱、粉化、霉菌及土体坍塌的病害，均提出了有针对性且归一化的治理方法；
35.3)本发明将无机材料和传统有机材料进行简单复合，采用桐油、糯米浆和石灰与遗址土搭配形成的四合土，具备改良效果显著、胶凝材料成本低廉、易于取用等优势，利于推广和运用；
36.4)本发明的四合土不同于传统三合土，直接采用糯米灰浆改良粉土，导致糯米浆调控石灰碳化反应生成的方解石附着于颗粒表面，而桐油包裹土颗粒形成的氧化膜能够胶结方解石而显著提升粘聚力多达约15倍。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明中试验土与遗址土的颗粒级配曲线对比图；
39.图2为本发明中试验土与遗址土的x射线衍射分析对比图；
40.图3为本发明中糯米浆在制备过程中进行温度实时监测的实物图；
41.图4为本发明中制备的四合土的养护实物图；
42.图5为本发明中根据四合土所制备的8组试验组不同尺寸的试样图；
43.图6为本发明中实施例4的田螺山遗址现场温度及湿度监测图；
44.图7为本发明中土样色彩适应性试验拍摄过程图；
45.图8为本发明中8组试验组在改良180天时的色彩适应性参数图；
46.图9为本发明中8组试验组在180天内随改良时间变化的表面硬度图；
47.图10为本发明中8组试验组在180天内随改良时间变化的斥水性图；
48.图11为本发明中8组试验组在180天内随改良时间变化的粘聚力和内摩擦角图；
49.图12为本发明中8组试验组在180天内随改良时间变化的渗透系数图；
50.图13为本发明中未经桐油、糯米浆和石灰改良的s试验组和经桐油、糯米浆和石灰改良的trls试验组的sem微观形态表征图；
51.图14为本发明中采用四合土在田螺山遗址现场的两处病害区域的原位修复图；
52.图15为本发明中采用桐油和糯米浆在田螺山遗址现场的两处病害区域的原位修复图；
53.图16为本发明中采用有机硅材料在潮湿环境下其他遗址现场的两处病害区域修
复后的保护性破坏原址展示面图。
具体实施方式
54.以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例中所使用的各种原料，如未作特别说明，均为本领域公知的市售产品。
55.本发明的实施例如下：
56.1)实施例1
57.实施例选取田螺山遗址中受水侵蚀最为严重的西侧遗址土代表潮湿环境下遗址土，考虑到遗址土的稀缺性，采用和遗址土基本土性参数及矿物组成均接近的试验土作为模拟土进行后续室内试验。试验土与田螺山遗址土对比参数如下。
58.表1为田螺山遗址土与试验土的基本土性参数对比
[0059][0060]
2)实施例2
[0061]
本实施例涉及糯米浆的制备，称取200g糯米粉，加入300g去离子水，混合后加热约10min左右，至温度达到80℃后，加热过程中以数显温度计lcd-150型进行温度实时监测(详见图3)，自然冷却至20℃，取糊化的糯米浆备用。
[0062]
3)实施例3
[0063]
配制四合土配方(按质量份数计)：试验土75份、桐油5份、糯米浆10份、石灰10份。
[0064]
制备方法：将105℃烘干并过2mm土工筛后的试验土加去离子水至最优含水量(20.48％)，将去离子水倒入喷雾器，喷洒到干燥土样表面搅拌均匀，按照四合土配方比例加入桐油、糯米浆和石灰搅拌均匀，同时设置7组对照组，共8组试验组进行对比(详见表2)，置于恒温恒湿室内养护(详见图4)48h后，制备试验所需的样品尺寸(详见图5)备用。
[0065]
表2为8组试验组不同组分及配比情况
[0066][0067][0068]
4)实施例4
[0069]
将所述8组试验组土样在恒温恒湿养护室(温度＝20℃，湿度＝99.99％)养护180天，以接近田螺山现场的环境条件(详见图6)，分别对1天、7天、14天、21天、28天、90天、180天的土样开展一系列室内试验，以满足土遗址对加固后土样的外观、硬度、斥水性、强度、渗透性及形貌特征等宏观及微观特性要求。
[0070]
①
色彩适应性试验
[0071]
文物保护材料应用的重要原则就是文物在经过加固后，颜色不能有明显的视觉差异。试验过程包括拍摄(详见图7)和图像处理，设备使用数码相机(尼康d7000，af-s 50mm f/1.4g)，设置焦距为50mm，镜头光圈为f/2，曝光时间为1/125s，iso感光度为400，不闪光，手动设置白平衡。图像处理通过adobe photoshop获取色彩参数，颜色样本范围是101
×
101像素，取10处平均值，基于国际照明委员会(cie)颜色空间(l*a*b*)及色差公式ciede2000计算得到明度差δl、彩度差δc、
ab
、色相差δh`
ab
、色差δe。
[0072]
如图8所示，trls试验组的色差最小为3.3，虽然存在较小的视觉差异，但能够满足土遗址保护“修旧如旧”原则。
[0073]
②
表面硬度试验
[0074]
表面硬度根据标准astm d2240进行测试，采用c型邵氏硬度计，球形压头直径为0.79mm，端头压力为0.539-8.329n，压针行程为0-2.5mm。在压头垂直接触土样表面后1秒的时间内测定表面硬度值，选取同个土样不同区域5次测量值的平均值。
[0075]
如图9所示，trls试验组在180天时的表面硬度达到了92.3，比未改良的s试验组提升了14.6，表明桐油、糯米浆和石灰协同改良的试验土表面硬度得到了明显的提高。
[0076]
③
斥水性试验
[0077]
斥水性是抵抗外部水入渗的能力，本发明以水滴渗透时间(wdpt)表征土壤拒水性能。在土样干燥状态时，将移液器从离样品水平表面5mm高的位置处释放10μl的水滴。记录从接触到完全入渗的时间，每个样品测试5次取平均值。
[0078]
如图10所示，trls试验组在180天时的wdpt为796s，不属于极度斥水(wdpt＞3600s)但也具备一定的斥水性，相比未改良的s试验组得到了显著的提升，防止了土遗址表面水分的过度入渗。
[0079]
④
直剪试验
[0080]
根据astm d6528-07标准，采用zj型应变控制直剪仪进行试验，以实现剪切速度的
匀速进行与精确可控。环刀内径d＝61.8mm，试样断面积a0＝3000mm2，高度h＝20mm，百分表分度值为0.01mm，测力环校正系数c＝7.1220n/0.01mm。通过分别施加100kpa、200kpa、300kpa、400kpa的垂直应力，以0.8mm/min的加载速率施加剪切力，直至读数出现峰值或剪切至剪切位移为6mm时停止，设置2个平行对照组。
[0081]
如图11所示，trls试验组土样的粘聚力在90天时达到了最大值262kpa，是未改良s试验组的15倍；内摩擦角也在90天时达到了最大值45.8
°
，是未改良s试验组的152％。由此可见，桐油、糯米浆和石灰协同改良的试验土抗剪强度得到了显著的提高；对比rl试验组，可以发现不添加桐油时，试验土的抗剪强度甚至比未改良s试验组都小，因此在改良以粉土为主要粒组的遗址土时，桐油氧化成膜起到了至关重要的作用。
[0082]
⑤
渗透试验
[0083]
根据标准gb/t50123-2019进行了变水头渗透试验，采用tst-55型变水头渗透仪，通过饱和装置使试样饱和，试验组土样与渗透仪侧壁之间的接触紧密以防止泄漏。根据达西定律记录水头和时间，计算得到渗透系数，测试2次取平均值。
[0084]
如图12所示，trls试验组土样的渗透系数随着改良时间的增大而增大，在180天时是未改良s试验组的17倍，渗透系数的提高也伴随着土体透气性的提高，有利于缓解土遗址病害的形成。
[0085]
⑥
微观形貌表征
[0086]
利用扫描电子显微镜对试验组土样的微观结构特征进行了观察，从土样内部选取了具有崭新表面的样品，在105℃下干燥，镀金以消除表面电荷，将样品送入观察室，通过高压电子枪对样品表面进行释放电子以成像。
[0087]
如图13所示，trls试验组土样表面生成了团簇状方解石晶体，致密的排布在桐油氧化膜上，糯米浆调控了方解石晶体的形状和尺寸，并胶结于土颗粒之间提高了粘聚力、内摩擦角等土体宏观特性；相比之下，未改良s试验组土颗粒表面较为光滑，颗粒间胶结程度较弱，强度较低。
[0088]
5)实施例5
[0089]
根据室内试验结果，将桐油、糯米浆和石灰协同改良田螺山遗址的两处病害区域的遗址土，进行了原位修复试验，并定期对修复区域进行观测(详见图14)，加固半年后的色差见表3。
[0090]
表3为采用四合土对田螺山遗址病害进行原位修复后的色彩参数
[0091][0092]
6)对比例1
[0093]
同样对于田螺山遗址，将桐油、糯米浆协同改良田螺山遗址的两处病害区域的遗址土，进行了原位修复试验，并定期对修复区域进行观测(详见图15)，加固半年后的色差见
表4。
[0094]
表4为采用桐油和糯米浆对田螺山遗址病害进行原位修复后的色彩参数
[0095][0096]
与本发明中的四合土原位修复田螺山遗址的两处同类型的病害区域进行对比，可见第三处及第四处的明度差显著大于第一处及第二处，表明颜色加深更加严重，这主要是由桐油造成的，且第三处的色差达到了15.14，属于肉眼可以明显观察到的程度；由于实施例5中使用了石灰，将色差减少至1.21，属于极微色差。针对第三处中的开裂病害未能将加固材料均匀涂抹于深裂缝中，只有部分的覆盖，未能达到本发明的实施例5中全覆盖的修复效果；针对第四处修复，桐油及糯米浆为菌类生长提供了养分，因此出现了白色菌膜，对外观产生了显著的影响，而本发明中实施例5中的第二处修复由于添加了石灰营造了土壤碱性环境，抑制了菌类繁殖生长，保证了修复处的色彩适应性。
[0097]
7)对比例2
[0098]
与其他潮湿环境下土遗址的现场修复案例进行对比，如浙江平湖南湾三合土炮台遗址及杭州良渚塘山遗址均采用有机硅材料等疏水性材料修复，但出现了溶剂挥发及土体颜色变深的缺点(详见表5)，如正硅酸乙酯加固后出现了表面剥离现象，造成了比保护前更为严重的效果(详见图16)，加固3年后的色差见表5。
[0099]
表5为采用有机硅材料对潮湿环境下其他遗址病害进行原位修复后的色彩参数
[0100][0101]
与本发明中的四合土原位修复田螺山遗址的两处同类型的病害区域进行对比，可见第五处及第六处的色彩参数给人强烈的视觉差异(δe＞25)，难以与土遗址原址展示的原则相兼容，且原址展示面甚至出现了比保护前更为严重的保护性病害。
[0102]
由此实施可见，本发明配方采用无机和传统有机复合的材料，针对以粉土为主的土遗址进行加固，改良效果显著，提高了土体表面硬度、斥水性、土体强度、渗透性，仅极微地改变了色差，同时传统胶凝材料成本低廉、易于取用，能够满足了潮湿环境下的土遗址保护的需要，易于推广及运用。
[0103]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
技术特征：1.一种四合土配方，其特征在于：所述的四合土配方按重量份数计，原料包括以下组分：原有遗址土75份、桐油5份、糯米浆10份、石灰10份。2.根据权利要求1所述的一种四合土配方，其特征在于：所述的原有遗址土来源于遗址发生病害处的碎块状或散落于地表的碎屑土料，且土料天然含水量≤50％。3.根据权利要求1或2所述的一种四合土配方，其特征在于：所述的遗址土的颗粒粒径≤2mm，且遗址土中粒径大于0.075mm的颗粒不超过自身全重的50％，且塑性指数i
p
≤10。4.根据权利要求1或2所述的一种四合土配方，其特征在于：所述的四合土中粒径大于0.075mm的颗粒不超过自身全重的50％，且塑性指数i
p
≤10。5.根据权利要求1所述的一种四合土配方，其特征在于，所述的桐油是生桐油，且生桐油的主要成分α-桐酸的分子结构中共轭双键未发生氧化或聚合反应。6.根据权利要求1所述的一种四合土配方，其特征在于，所述的糯米浆是由200g糯米粉和300g水在混合后加热至80℃发生糊化、再自然冷却至20℃而成，加热时间为10min。7.根据权利要求1所述的一种四合土配方，其特征在于，所述的石灰是熟石灰。8.根据权利要求1所述的一种四合土配方，其特征在于，所述的遗址发生病害包括遗址表层开裂、疏松、起壳、剥离、泛碱、粉化、霉菌、土体坍塌。9.应用于权利要求1-8任一所述四合土配方的土遗址病害原位修复方法，其特征在于，方法包括以下步骤：步骤一：取土遗址病害处的碎块状或散落于地表的碎屑土料，碾碎后风干，选取2mm土工筛下土料，加水至最优含水量，备料待用；步骤二：按四合土配方的重量计将遗址土、桐油、糯米浆、石灰各组分混合并搅拌均匀制得四合土并密封静置2h，使得各组分分散均匀；步骤三：清理土遗址病害区域，去除已发生或即将发生病害区域的局部表层土体，根据土遗址病害类型进行原位修复工艺；步骤四：定期对土遗址病害原位修复区域进行观测，如再发生劣化进行二次或多次修复。10.根据权利要求9所述的土遗址病害原位修复方法，其特征在于：所述步骤三中，根据土遗址病害类型进行原位修复工艺，具体为：a)若土遗址病害为表层开裂，则将四合土填补于病害所发展的表层土及深层裂缝中；b)若土遗址病害为表层疏松、起壳、剥离、泛碱、粉化的一种或多种，则将四合土涂抹覆盖于所清理的病害区域表面，压实并修整，使得修复后的表层土厚度与非病害区域一致；c)若土遗址病害为土体坍塌，则将四合土堆填于土体坍塌处，压实并修整，直至与发生坍塌前土遗址文化层形态尺寸协调一致。
技术总结本发明公开了一种四合土配方及土遗址病害原位修复方法。四合土配方包括遗址土75份、桐油5份、糯米浆10份、石灰10份；在土遗址病害处进行处理后，用四合土根据土遗址病害类型进行原位修复工艺，且定期对土遗址病害原位修复区域进行观测和修复。本发明配方采用无机和传统有机复合的材料，针对以粉土为主的土遗址进行加固，改良效果显著，提高了土体表面硬度、斥水性、土体强度、渗透性，仅极微地改变色差，同时传统胶凝材料成本低廉、易于取用，能够满足了潮湿环境下的土遗址保护的需要，易于推广及运用。运用。运用。
技术研发人员：唐晓武 费敏亮 向青青 孙国平 林维康
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1
