高强无纤维材料在古城墙或断面修复中的应用及方法

技术领域

本发明属于岩土遗址保护技术领域，确切地说是高强无纤维材料在古城墙或断面修复中的应用及方法。

背景技术

齐长城长清段始于济南市长清区孝里镇广里村东北约500米处，止万德与泰山相连，呈西北-东南走向，境内97.8公里，建筑形式多为素土夯筑片石砌筑，齐长城起点至陡岭子段墙体总体走势清晰、墙体砌筑类型明确，分为土墙和石墙两部分，土墙自起点至珠珠山西山脚石墙出现处总长1210米，石墙自珠珠山西山脚至陡岭子东坡总长1280米。

发明内容

本发明要解决的技术问题是齐长城主要病害：挖掘断面、挖掘坑、农耕取土、雨水冲蚀、石砌边墙坍塌等

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

高强无纤维材料在古城墙或断面修复中的应用及方法，包括土墙区段保护和石墙区段保护，土墙区段实施如下步骤：

步骤1：清理乔、灌木：清除墙体上的乔、灌木，对于深入夯土深处的粗大根系不宜刨出，以免形成新的破坏剔除城墙顶部的风化层；

步骤2：补夯加固：针对墙体出现的大量断面进行补夯加固，自地面起筑的新墙体夯补，清除城基部风化软土，使新筑墙体坐落在原始城墙夯土基础之上，不要求达到古城墙基础原始宽度；

步骤3：植被保护：植被保护采用种植结缕草的方式防止水土流失，墙体地表遗址顶部采用植被保护，退耕后墙体顶部统一种植结缕草；

步骤4：标识墙体边沿：依照考古考察确定的墙体走势，设置标示，按照间隔20-30米的距离，进行埋置；

步骤5：增设墙体排水设施和道路改造：设计为嵌草地面、边缘碎石，设计为嵌草地面、边缘碎石，宽度为4米设控制带，并且修整利用作为排水设施；

石墙区段实施如下步骤：

步骤1：拆除树池：对于植树造林形成的树池围堰进行拆除，拆除树池后为防止树池周边石块塌陷，采用石块予填充加固；

步骤2：清除墙体上灌木：清理生长在墙体上的灌木，为防止周边灌木的蔓延，灌木清理范围扩大至墙体两侧各1米；

步骤3：失稳加固：针对墙体中存在的不稳定因素，针对存在塌陷、开挖、持续塌落等问题，通过补足加固、拆砌、摘砌、局部性重砌等方式排除墙体中存在的各类问题；

步骤4：断面加固：针对道路截断处墙体断面进行加固，同失稳加固；对已坍毁部分进行补足加固，加固材料使用高强无纤维材料；

步骤5：标识墙体边沿：对墙体走向及轮廓模糊的区段进行设置标示处理；

步骤6：设置排水设施和设巡查道路：靠墙体内侧塌落坡底部加设排水设施，依据山体修整开凿，碎石铺底，保护后为避免人为攀登破坏墙体遗址。

作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

所述的清理乔、灌木对渠道进行改造，清理水渠堆积淤泥和杂草，修补塌落损毁砌体，疏通排水。

所述的补夯加固基础外侧要打入木桩，防止新筑墙体出现侧滑。

所述的清除墙体上灌木对于生长在墙体边沿上，其根系持续生长导致墙体歪闪、鼓胀、塌落等现象的树木进行清理，该区段树木为柏树，清理范围为生长在墙体上距离墙体边沿1米范围的树木。

所述的植被保护的考古勘探确定的遗址边界和现存地表遗迹边缘间，种植结缕草标识墙体宽度特征。

所述的设置排水设施和设巡查道路同时考虑到周边村民生产生活及巡查工作，在墙体外侧五米修建人行登山道路。

所述的标识墙体边沿标识主要包括消失的外层墙体外侧边沿。

所述的高强无机纤维材料为碳酸钙、钙矾石、白云石，其中主要成分Na2O为0.1份，MgO为4.7份，Al2O3为11.3份，SiO2为7.1份，SO3为6.2份，K2O为0.4份，CaO为67.0份，Fe2O3为1.4份。

所述的高强无机纤维材料为碳酸钙、钙矾石、白云石，其中主要成分Na2O为0.8份，MgO为2.8份，Al2O3为19.5份，SiO2为32.7份，SO3为9.5份，K2O为1.4份，CaO为29.0份，Fe2O3为3.1份。

本材料创新性的满足了保护展示利用工作要适应不同地域、不同环境、不同类型、不同文化内涵的需求；本材料生产材料全部采用天然矿物质，无化学有毒成分添加，经环测评估，对遗址本体和周边环境无任何负面作用；能解决文物本体的保护，形成一层高强保护层面，而不直接干预本体；利用天然矿物质溶和形成，达到绿色、环保，并可循环利用；实现文物保护从化学保护向物理保护推广；保护成本较低，社会效益较高。

本材料所形成的保护层具有一定的可逆性、耐候性、可塑性，能根据不同的保护对象选择效果和肌理。在保护的基础上，进一步满足展示利用的要求，符合各项技术指标的质感和肌理都是文物保护复制、仿制的最佳选择，符合当前文旅融合背景下的文物保护技术发展的趋势。

本材料的安全性能极高。制作材料绿色、环保、安全。利用这种材料制作的保护层不直接干预文物本体，对文物本体无任何的破坏影响，不影响文物的安全。本材料制作的产品还具备为文物本体或赋存环境加固支撑的功能，可以制作成防止文物本体坍塌的保护层或某种结构支撑构件，既起到了保证文物安全的作用，也做到了与文物周边环境的相协调。

在当前文旅融合的时代背景下，从应用广度和深度层面，进一步改良提升，高强无机纤维材料在遗址保护应用，利用自身仿真性和可塑性强的特点，广泛应用于遗址本体复原展示、可移动文物复制、博物馆建设及展陈等遗址展示利用的多个方面。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施例的结构框图。

图2为本发明的第1矿物原料X-射线衍射分析结果。

图3为本发明的第2矿物原料X-射线衍射分析结果。

图4为本发明的第3矿物原料X-射线衍射分析结果。

图5为本发明的第4矿物原料X-射线衍射分析结果。

图6为本发明的第5矿物原料X-射线衍射分析结果。

图7为本发明的第6矿物原料X-射线衍射分析结果。

图8为本发明的第7矿物原料X-射线衍射分析结果。

图9为本发明的第8矿物原料X-射线衍射分析结果。

图10为本发明的第9矿物原料X-射线衍射分析结果。

图11为本发明的第10矿物原料X-射线衍射分析结果。

图12为本发明的第11矿物原料X-射线衍射分析结果。

图13为本发明的第12矿物原料X-射线衍射分析结果。

图14为本发明的第13矿物原料X-射线衍射分析结果。

图15为本发明的第14矿物原料X-射线衍射分析结果。

图16为本发明的第15矿物原料X-射线衍射分析结果。

图17为本发明的第16矿物原料X-射线衍射分析结果。

图18为本发明的第20矿物原料X-射线衍射分析结果。

图19为本发明的第9矿物原料红外光谱分析结果。

图20为本发明的第12矿物原料红外光谱分析结果。

图21为本发明的第10矿物原料红外光谱分析结果。

图22为本发明的第18矿物原料红外光谱分析结果。

图23为本发明的第21矿物原料红外光谱分析结果。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

具体实施例1：

参见图1可知，本发明高强无纤维材料在古城墙或断面修复中的应用及方法，包括土墙区段保护和石墙区段保护，土墙区段实施如下步骤：

步骤1：清理乔、灌木：清除墙体上的乔、灌木，对于深入夯土深处的粗大根系不宜刨出，以免形成新的破坏剔除城墙顶部的风化层；清理乔、灌木对渠道进行改造，清理水渠堆积淤泥和杂草，修补塌落损毁砌体，疏通排水，步骤2：补夯加固：针对墙体出现的大量断面进行补夯加固，自地面起筑的新墙体夯补，清除城基部风化软土，使新筑墙体坐落在原始城墙夯土基础之上，不要求达到古城墙基础原始宽度；补夯加固基础外侧要打入木桩，防止新筑墙体出现侧滑，步骤3：植被保护：植被保护采用种植结缕草的方式防止水土流失，墙体地表遗址顶部采用植被保护，退耕后墙体顶部统一种植结缕草；植被保护的考古勘探确定的遗址边界和现存地表遗迹边缘间，种植结缕草标识墙体宽度特征，步骤4：标识墙体边沿：依照考古考察确定的墙体走势，设置标示，按照间隔20-30米的距离，进行埋置，步骤5：增设墙体排水设施和道路改造：设计为嵌草地面、边缘碎石，设计为嵌草地面、边缘碎石，宽度为4米设控制带，并且修整利用作为排水设施。

具体实施例2：

石墙区段实施如下步骤：

步骤1：拆除树池：对于植树造林形成的树池围堰进行拆除，拆除树池后为防止树池周边石块塌陷，采用石块予填充加固；步骤2：清除墙体上灌木：清理生长在墙体上的灌木，为防止周边灌木的蔓延，灌木清理范围扩大至墙体两侧各1米；清除墙体上灌木对于生长在墙体边沿上，其根系持续生长导致墙体歪闪、鼓胀、塌落等现象的树木进行清理，该区段树木为柏树，清理范围为生长在墙体上距离墙体边沿1米范围的树木，步骤3：失稳加固：针对墙体中存在的不稳定因素，针对存在塌陷、开挖、持续塌落等问题，通过补足加固、拆砌、摘砌、局部性重砌等方式排除墙体中存在的各类问题；步骤4：断面加固：针对道路截断处墙体断面进行加固，同失稳加固；对已坍毁部分进行补足加固，加固材料使用高强无纤维材料；步骤5：标识墙体边沿：对墙体走向及轮廓模糊的区段进行设置标示处理；标识墙体边沿标识主要包括消失的外层墙体外侧边沿，步骤6：设置排水设施和设巡查道路：靠墙体内侧塌落坡底部加设排水设施，依据山体修整开凿，碎石铺底，保护后为避免人为攀登破坏墙体遗址，设置排水设施和设巡查道路同时考虑到周边村民生产生活及巡查工作，在墙体外侧五米修建人行登山道路。

具体实施例3：

本发明高强无机纤维材料的物理特性；

实验样品选取与编号：

高强无机纤维材料组成包括各种天然矿物原料、粘合剂、柔性纤维材料(玻璃纤维、纤维网)、添加剂等，根据不同的保护对象及制作要求，调整以矿物骨料、纤维材料、粘合剂及添加剂的配比，形成高强无机纤维材料。

针对物理特性实验选取各类原料8种，高强无机纤维材料试样5块，骨质试样2个，瓦当试样4片，开展成份、结构和物理化学性能表征，尝试对高强无机纤维材料的配方进行拟合复原，论证高强无机纤维材料相关工艺和相关参数。

按照各类检测方法及工程试验法的要求，对试样进行切割、研磨、压片、抛光、粉碎等处理。

具体名单为：第1矿物原料、第2矿物原料、第3矿物原料、第4矿物原料、第5矿物原料、第6矿物原料、第7矿物原料、第8矿物原料、第9高强无机纤维材料试样、第10高强无机纤维材料试样、第11高强无机纤维材料试样、第12高强无机纤维材料试样、第13高强无机纤维材料试样、第14高强无机纤维材料试样、第15高强无机纤维材料试样、第16骨质试样、第17骨质试样、第18瓦当试样、第19瓦当试样、第20瓦当试样、第21瓦当试样。

具体实施例4：

X-射线荧光分析(XRF)

采用德国Bruker公司PUMAS2型X-射线荧光仪，测定条件：Ag靶X光管，管压50kV，管流2mA，测量时间为300s，测量环境为真空。XRF测试结果见表1X-射线荧光分析结果(Wt％)。

表1X-射线荧光分析结果(Wt％)

由分析结果可知1、3、5、6、8号矿物原料的主要元素为Si、Al、Na、K，应当是长石类矿物，利用这些原料粒径和微量成份不同可以调整合成产物的强度与颜色，满足高强无机纤维材料试样的需求，是制备高强无机纤维材料试样的主料。

2号矿物原料的主要元素是Ca、Al、Si、S，与铝酸钙-硫铝酸钙水泥成份相似，是主要的胶凝材料。

4号矿物原料的主量元素是Mg、Al、Si、Ca、Fe，可能是辉石类矿物，可提高高强无机纤维材料的早期胶结强度。

7号矿物原料的主量元素是Ca、Si，可能是硅质石灰岩，可在一定程度上替代高硅类原料，降低制作成本。

9号试样包含红、黄色两部分，主要元素是Mg、Al、Si、S、Ca，黄色部分9-2中的Mg含量更高，是为了加快高强无机纤维材料的早期胶结强度，便于在未完全烘干时对红色表层加工。

10、11、12、14、15、16号高强无机纤维材料试样的主量元素是Al、Si、S、Ca，由水化硫酸铝三钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙组成。

14、15号试样中的钙含量极高，是为降低成本使用了一定量的石粉替代主料。

具体实施例5：

X-射线衍射分析(XRD)：

采用日本理学公司RINT 2000型X-射线衍射仪，测定条件：管压40kV，管流40mA，发射狭缝DS为1°，接收狭缝RS为0.15mm，端窗CuK，α靶X-射线管，真空光路。

试样的XRD试测分析结果见表2。

X-射线衍射结果表明，1-8号矿物原料的分析结果与XRF一致，为长石类矿物；9、10、11、12、14、15、16号试样的主要成份是SiO2；13号试样中的主要成份是CaCO3。这些试样的主要原料为硅类尾矿，有少部分试样使用了石粉调整性能。

此外9试样中发现了水硬性材料硅酸钠；10、13号试样中发现了磷镁铝石，表明试样制备过程中使用了镁类矿物作为水硬性胶结材料；12、14、15、16号试样中发现了胶凝材料石膏；15、16号试样中发现了水合硅酸钙，使用了硅酸盐水泥或石灰活化剂。结合XRF结果可以推断试样中胶结物通过以下反应形成。

SiO2+mCa(OH)2+H2O→mCaO·SiO2·H2O

Al2O3+nCa(OH)2+H2O→nCaO·Al2O3·H2O

CaO·Al2O3·xH2O+CaSO4·0.5H2O→CaO·Al2O3·CaSO4·(x+0.5)H2O。

具体实施例6：

扫描电镜分析(SEM-EDS)，

采用捷克TESCAN公司VEGA3型扫描电子显微镜分析试样形貌，电压为15KV，配备能谱仪BrukerXFlash 610M detector，测试条件：激发电压20KV，扫描时间100s。

表3 9号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

高强无机纤维材料试样中的主量元素为Ca、Si、Al，次量元素为Fe、Mg、K、S。红色仿古层Fe含量较高，与黄色底层成份差距较小，属一次成型工艺。

具体实施例7：

表4 10号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

高强无机纤维材料试样中可以观察到纤维状物质，主要元素是Si、Ca、Na、Zr，是耐碱玻璃纤维的主要成份。这些玻璃纤维呈网格状分布，能够起到长纤维韧化作用。

具体实施例8：

表5 11号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

高强无机纤维材料试样中的短纤维同样是耐碱玻璃，这些纤维弥散分布在材料结构中，可以起到短纤维韧化作用。

具体实施例9：

表6 12号试样的能谱分析结果(Wt％)

12号高强无机纤维材料试样和9号高强无机纤维材料试样的做旧工艺一致，只是表面层更薄。

具体实施例10：

表7 13号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

13号试样结构中除了常见的增强相外，还有C4AF(铁铝酸四钙)。

具体实施例11：

表8 14号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

14号高强无机纤维材料试样中，Fe元素含量的降低导致黄色层变为青色层。

具体实施例12：

表9 15号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

15号试样中也采用了长纤维增韧工艺，所用的纤维原料与9号样品一致。

具体实施例13：

表10 16号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

16号试样中也采用了短纤维韧化工艺，所用的纤维原料与9号样品一致。

具体实施例14：

表11 17号试样的能谱分析结果(Wt％)

17号试样中也使用了同样的纤维，青色砖块中铁含量较低。

具体实施例15：

表12 18号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

18号试样表面泛绿，用了铜锈做旧。此外，3号区域可以观察到大量氯元素，可能使用了氯化聚丙烯粘合剂来黏结铜锈。

具体实施例16：

表13 19号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

元素种类及含量与黏土砖差异较小，二者配方基本一致。

具体实施例17：

表14 20号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

与17号试样的配方基本一致。

具体实施例18：

表15 21号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

上述两种试样成份差距不大，但某些区域出现了铁元素富集，强度更低。

具体实施例19：

红外分析(FTIR)：采用美国Thermo Fisher公司Nicoletis5型傅里叶红外变换光谱仪测量样品，波数范围为4000-400cm-1。

表15.部分试样的红外光谱分析结果

9、12号高强无机纤维材料试样中的玻璃纤维表面有聚氨酯的存在，该物质可以起到胶结玻璃纤维的作用，提升力学强度。10号高强无机纤维材料试样、15号骨质试样和16号瓦试样当中均未观察到有机添加剂。

具体实施例20：

物理性能测试：

表17试块的物理性能测试结果

高强无机纤维材料试样，在潮湿多雨地区露天使用时优化配方降低吸水率，各类高强无机纤维材料试样的抗弯、抗冲击等结果均达到国家同类产品性能要求。

具体实施例21：

高强无机纤维材料为碳酸钙、钙矾石、白云石，其中主要成分Na2O为0.1份，MgO为4.7份，Al2O3为11.3份，SiO2为7.1份，SO3为6.2份，K2O为0.4份，CaO为67.0份，Fe2O3为1.4份。

具体实施例22：

所述的高强无机纤维材料为碳酸钙、钙矾石、白云石，其中主要成分Na2O为0.8份，MgO为2.8份，Al2O3为19.5份，SiO2为32.7份，SO3为9.5份，K2O为1.4份，CaO为29.0份，Fe2O3为3.1份。

由于以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护不限于此，任何本技术领域的技术人员所能想到本技术方案技术特征的等同的变化或替代，都涵盖在本发明的保护范围之内。