干旱土遗址劣化的日照温度效应研究

摘要

土遗址是以土质材料为主的，具有历史、文化和科学价值的古代建筑遗存，是不可移动文物资源中重要的组成部分。关于土遗址病害成因和保护措施的研究已成为岩土工程领域内关键的发展方向之一。根据所在区域的气候特征，土遗址可以分为干旱土遗址和潮湿土遗址两类。对于干旱土遗址而言，一般研究认为导致土质材料发生劣化的主要自然因素有干湿循环、冻融循环、强降雨、风蚀以及生物活动的作用等。关于太阳辐射对土遗址劣化的研究鲜有报道。实际上，固体在强烈日照作用条件下，会产生巨大的内外温度差异，由此激发的温度应力会导致材料性能的改变或者破坏；这一观点已被众多关于岩石风化机理的研究所证实。在土遗址的建造过程中，松散的土质材料在经过夯实等建造技法处理后，力学性能得以有效改善，土颗粒间的联结力明显增强；同时也导致土颗粒的受热膨胀变形被限制，在日照条件下可能会产生相似的破坏作用。加之干旱土遗址所在区域降雨较少的气候特征，水分对土遗址劣化的影响程度十分受限，因此在长期的风化进程中，日照温度效应极有可能是主导遗址劣化的根本原因。本论文基于这一假设命题开展相关的研究。 本研究选取位于中国新疆吐鲁番市的交河故城为干旱区土遗址的代表，对日照条件下遗址内部温度场变化、温度应力分布、土体物理性质的温度效应以及温度效应的作用机理进行了初步地探究。研究以土遗址原位测温数据为基础，分析了露天土遗址温度的日均变化规律及其影响因素；分别利用有限元软件以及室内模拟试验的方法对土体受热冲击破坏的可能性以及热疲劳效应进行了验证；利用扫描电子显微镜和压汞仪对高低温循环过程中土体微观结构的变化进行了测试分析，并简要阐述了土质材料热疲劳效应的作用机理。本文的研究为干旱区土遗址的保护研究工作提供了基础试验数据和理论支持。 原位温度的监测工作采用在现场构筑人工土墙的方法进行，以避免测试过程中对遗址本体造成的损害。墙体的表面温度和内部温度分别利用红外热成像仪和埋设测温探头进行测量。监测结果表明，墙体的温度变化主要受墙体立面的朝向、墙体材质、建造工艺、太阳辐射强度、周围环境温度和墙体厚度等因素的影响。太阳的升起后，受直射的墙体表面温度迅速升高；墙体的升温速率明显大于降温速率；墙体内等温线的分布只与墙体的截面形状有关。在日照强度相同的条件下，夯土墙的平均温度明显高于垛泥墙的平均温度。就同一的土质墙体而言，表面温度几乎完全相同，与测点的位置无关；监测期间内的最高温度为70.2oC，出现在夯土墙的西侧表面。随墙体厚度的增加，各测点的温度波动幅度和衰减系数逐渐减小；各测点的延时则与厚度成正比，总体来看，东侧部分的延时大于西侧部分的延时，垛泥墙的延时大于夯土墙的延时。在距离墙体表面0~10cm的范围内存在有较大的温度梯度，是日照温度效应主要的影响区域。相比较于其它的建筑材料，土质材料的热扩散性能和蓄热性能较为均衡，因此不会产生严重的热冲击破坏作用；但墙体内的温度梯度在日均变化过程中随太阳的升起和降落会发生两次反转，可能会导致土质材料在反复的压缩-拉张作用的影响下产生热疲劳破坏。 日照作用条件下土遗址固热耦合模型的建立结合了传热学和太阳物理学的基础理论，借助 COMOSOL 多场耦合分析软件对土遗址温度场及温度应力的分布进行了数值模拟分析，并利用原位实测温度数据进行了验证。分析结果表明，数值模拟的结果可以较好地反映土质墙体温度的变化规律。在日均变化过程中，干密度为1.7g/cm3的土质墙体内部产生的温度应力最大值为89.1kPa，小于土体的极限破坏强度，说明在日照条件下，土质墙体不会因温度应力的作用而产生宏观的破坏现象。在传热边界条件一定的条件下，随着土体热传导系数的增大，墙体表面温度和热应力均小幅降低，而内部的温度和温度应力则略微升高，墙体内各点处的温度差异和温度梯度均相应减小，而墙体内受日照作用的影响范围扩大；随着土体比热的增长，墙体的最大温度和最大温度应力的值逐渐减小，但墙体内各点处的温度差异和温度梯度则有增大的趋势。随弹性模量和热膨胀系数的增大，墙体内各点处的温度应力及其差异均显著增大，墙体近表部位的温度应力变化尤为明显。土体的弹性模量和线性热膨胀系数是决定墙体内部温度应力大小的主要因素，热物理参数的变化对温度应力的影响有限。 室内模拟试验结果表明，土质材料在反复的升温-降温过程中会产生明显的热疲劳效应。在高低温循环过程中，土体的抗拉强度和纵波波速均呈现出先增大后减小的变化特征；干密度越大，抗拉强度增长幅度越大；但在循环试验结束后，干密度越小的土体抗拉强度的变化率越大。在试验尺度内，土体的纵波波速没有明显的衰减，说明土体的完整性基本不受影响，没有宏观裂隙的产生。抗拉强度初期阶段的增长源自土体内残余含水率的减小，后期的降低是由于颗粒在反复的热胀冷缩作用下产生崩解，导致联结力的丧失。受微观结构变化的影响，土体的热物理参数也发生明显的改变，可以分为三个阶段，初期阶段，残余水分蒸发，热物理参数的值均有不同程度的下降，干密度越大的土体，下降幅度越大；中期阶段，土体内集粒尺寸减小，粒间接触点的数量增多，有利于热量的传导和扩散，热物理参数略微升高；末期阶段，集粒破坏程度增大，颗粒在热胀冷缩的作用下重新排列，形成较为松散的骨架状结构，集粒间孔隙直径增大，导致热传导系数的降低。 SEM和MIP的试验结果为解释土体的热疲劳效应提供了微观尺度的证据。土体内集粒的崩解以及过渡孔隙和集粒内孔隙此消彼长的波动变化是造成土体宏观抗拉强度和热物理参数变化的根本原因。土体颗粒表面粘附碎屑的含量和集粒间孔隙的占比随循环次数的增加而增长；不同干密度土体内的孔隙总体积单调递增，增长幅度在初期阶段更为明显；中期阶段过渡孔隙含量明显增大，是土体微观结构调整的重要表征；末期阶段土体内孔隙分布趋于均匀，呈现出明显的双峰特征。土体微观结构的变化具有不可逆性，导致了土体材料的劣化，土体的干密度越大，微观结构的变化越明显。孔隙分形维数可以对土体内部微孔隙结构的变化特征做出较好地定量解释；分形维数越大，孔隙的结构越复杂，孔隙的表面越不光滑。在高低温循环过程中，土体孔隙分形维数与土体热传导系数和热扩散系数有着较好的对应关系，二者均随孔隙分维的增大而增大，但增长的幅度有所差异；土体抗拉强度和体积比热与孔隙分维的关联性较弱，二者分别受土体颗粒间的联结作用力和单位体积内土颗粒含量的影响。 土遗址在日照条件下的热疲劳效应相比于强风化影响因素，例如冻融循环和风蚀等，其作用强度较低，对土体产生的破坏作用需经过长时间的积累才能得以显现。但是，土体的热疲劳效应会扰动土体的微观结构，这种作用加剧了土遗址在偶发的强风化作用过程中所形成破坏的程度。因此对于干旱区土遗址的长期保护工作来讲，日照温度效应对土遗址造成的劣化现象应当被给予更多的关注和重视。

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