平遥城墙夯土面层病害及其保护实验研究

1 问题的提出

作为一座保存完整的历史名城， 平遥古城于1997 年12 月被列入世界遗产名录。平遥古城最独特之处在于保留了完整的逾12 km 的外侧包砖、内侧夯土表面的城墙（图1）。历史上，人们对平遥古城进行过多次加固与维修，特别是1977 年由于洪水导致城墙大面积坍塌后，进行了大规模修复。但是2004 年至2006 年间，经多年维修后的城墙仍频繁出现险情，被国内著名媒体报道的就有3 次以上。

图1 平遥城墙东北角（图片来源：戴仕炳摄）

为了找到保护平遥城墙的有效技术与管理方法， 2006 年至2007 年，在原中国文物研究所（现中国文化遗产研究院）指导下，山西省文物局、山西省平遥县文物局等组织有关单位对平遥夯土城墙的病害进行了系统分析，在不同加固方法实验的基础上，提出了古城城墙结构加固保护修复设计方案[1]。文章是内侧表层夯土加固研究的部分成果。

2 夯土城墙构造特点及病害

平遥城墙建造在由第四系洪积成因的粉土和粉质粘土及少量粉细砂组成的地基上，地基基本均匀，已经压实稳定，地下水水位8 m 左右[2,3]。积水、上升毛细水及相关联的盐分是夯土城墙局部坍塌的原因之一（图2）。

图2 雨水、上升潮气等导致内墙夯土面层的损坏（图片来源：戴仕炳摄）

从2007 年3 月因下东门修复而暴露的城墙剖面( 图3)可以看出, 城墙核心为素夯土，除城墙顶部所谓灰土防渗层外, 组成城墙主体的夯土没有添加任何石灰( 南城墙除外)， 密实度参差不齐。外侧包砖贴夯土砌筑，两者没有交错（图4）。夯土结构顶部为灰土层，上铺双层青砖海墁（图5），部分城墙顶部只铺一层墁砖。

图3 从北朝南看平遥城墙下东门剖面（图片来源：戴仕炳摄）

图4 贴砌包砖与夯土接触处的裂缝空洞等（图片来源：戴仕炳摄）

图5 城墙顶部构造

从下至上分别为素夯土、灰土垫层、第一层墁砖、灰土、第二层墁砖，夯土中可见竖向裂纹

由图3 可见，此段城墙至少经过三次修补建造，中心的夯土与侧面的夯土在颜色、密度等上有明显区别，应为早期夯土。内侧大约80 cm － 100 cm 的夯土从其女儿墙下更厚的灰土层可以判定为后期补夯的产物。

夯土体内部发育有裂缝，裂缝的方向有平行城墙方向的，也有垂直城墙方向的，两个方向裂缝交汇部位经过雨水冲刷形成空洞（图6）。从断面分布上看， 夯土墙中心的裂缝近似垂直（图3，图5），更多的裂缝向两侧倾斜。内侧夯土发育的平行夯土表面的裂纹（图6），是雨后内侧夯土坍塌、滑落的罪魁祸首。

图6 内侧夯土发育的平行城墙走向的裂缝与垂直城墙的裂缝交叉部位出现的有水冲刷痕迹的大空洞（图片来源：戴仕炳摄）

城墙内侧夯土表面可见不同时期补夯及分层夯筑结构，夯层厚度10 cm 左右，墙体收分约30% －40％。调查表明，内侧夯土表面主要存在的问题有残缺、孔洞、冲刷疏松，夯土与女儿墙脱空、裂缝和排水结构失效，后期补夯与原夯土结合部位常发生开裂、脱落等（图7）。

图7 不同时期的补夯及脱落（图片来源：戴仕炳摄）

向城内排水的排水槽由于顶部渗水及砖缝脱落等原因，背部形成空洞（图8）， 部分排水槽已经悬空。因此修复工作在保护夯土面层的同时，必须对排水槽进行修复。

图8 向城内排水的砖砌排水槽及灰缝脱落（图片来源：戴仕炳摄）

夯土结构顶部青砖海墁的作用为承载及排水，但是海墁很多部位凹凸不平，下雨时易积水，水渗入海墁，导致夯土软弱并坍塌。

3 夯土表皮保护设计思路

平遥城墙内侧夯土保护可能的技术方法有包砖、原位加固和补夯三种可选方案。历史上局部采用过包砖工艺（图9），但是包砖不仅在结构方面不能完全保护夯土（外侧城墙砖出现的问题可以佐证），而且破坏了城墙面貌，不宜采用。

图9 内城墙局部采用过的包砖加固（图片来源：戴仕炳摄）

原位加固是采用高渗透的粘结材料加固现有夯土表层。这项技术在非结构土遗址保护方面取得过一些成功经验[4]，但是在平遥的现场实验说明（图10）， 原位渗透加固材料最大渗透深度仅150 mm，不足以保护现有夯土表层。

图10 2007年夏天在平遥现场开展的原位加固试验（图片来源：戴仕炳摄）

通过比较发现，补夯不仅是平遥城墙保存到今天的维护方法之一，而且是通过科学化研究能达到可持续有效加固的技术手段。因此研究工作侧重补夯构造的科学设计，材料配方的优选，以及质量保障体系、效果的跟踪与工艺的完善。

4 补夯材料研究

4.1 平遥土的特点及其石灰改性

研究发现，平遥地区的土为低塑性粉土，粘土含量较低①，大约为7%—16% 左右。这类土在没有进行改性时不耐水（图11），但通过添加石灰改性后，可以增加其强度和耐水耐冻等性能[5-8]。

图11 添加石灰的土与无石灰的土的耐水性实验（图片来源：戴仕炳摄）

石灰能够加固土的原理是：在石灰的强碱性环境下，土中粘土矿物被部分分解出三氧化铝胶体和二氧化硅胶体，它们与石灰反应形成钙硅酸盐或钙铝酸盐水合物：

2SiO2·nH2O+3Ca(OH)2+mH2O→3CaO·2SiO2·3H2O+nH2O

2Al2O3·nH2O+3Ca(OH)2+mH2O→3CaO·2Al2O3·6H2O+nH2O

在持续的石灰供给（保持碱性）、保持潮湿及缺二氧化碳的环境下，同时保证足够的时间，上述反应使土的强度提高，达到耐水、耐冻的效果[7]。

石灰添加量与粘土含量有关，粘土含量在15%—30% 之间的土最适合采用气硬石灰改性[6 － 8]。当粘土含量低时，则需要添加一定量的水硬性组分。这是在平遥土改性时添加水硬性石灰的原因。

参照现有国家标准[9] 与国际标准[10] 而制定的研究方案（图12），确定了平遥石灰改性土的配方：3%—4% 生石灰，3%—4% 的水硬性石灰（N）HL5 或（N）HL2， 加水率为每100 kg 灰土加14 kg—15 kg水。上述配方的夯土在夯实达最佳密度并保湿养护2 周以上之后，不仅耐水耐冻，而且颜色与素土基本接近，保留了平遥夯土内城墙土的表面质感。

图12 石灰改性土试验研究（图片来源：戴仕炳摄）

4.2 免烧丝切灰土砖

平遥城墙里存在大量空洞需要填充，砖砌排水槽背部也需填充。而传统烧结粘土砖不仅需要能源，且强度高，与旧粘土不兼容，为此，在研究过程中，开发出免烧丝切灰土砖。根据多次实验结果，确认免烧丝切灰土砖的流程如下：土要严格过筛，颗粒直径≤ 10 mm，越细越好。将土与消石灰、（天然）水硬性石灰（HL5）按照比例混合：30 份土:1.5 份消石灰:1 份水硬性石灰（体积比）或者93% 的土+4% 的消石灰粉+3% 的水硬性石灰（HL5）（质量比），加水，采用制砖机挤出，码垛（最高4 层），盖薄膜保湿养护14 天（前7 天每天浇水2 遍）后，可以使用（图13）。

图13 试制免烧丝切灰土砖过程（图片来源：戴仕炳摄）

5 内侧夯土表面保护工艺

2007 年内侧夯土保护试验工程分两个部分：排水槽修复与坍塌夯土补夯。

5.1 排水槽修复

排水槽修复目标是加固排水槽砌体，密实所有灰缝等，使雨水从城墙顶部能够顺利排到内侧城内而不渗漏到内部夯土。工序为：排水槽背部掏空区清理→采用丝切灰土砖对背部掏空区填实→砖体表面清理→ 表面清洗→增强处理→勾底缝→勾面缝→增强憎水处理→养护。

5.2 补夯

补夯的目标是对城墙内部夯土形成保护，并为女儿墙提供结构支撑。工序流程包括两个阶段，第一阶段为灰土制备：筛分黄土→灰+ 土按照配方混合均匀（工厂化作业）→运输到修复工地加水使用。第二阶段为现场施工：旧夯土面清理→基础下挖→基础处理及夯防渗改性土（高于内城地面500 mm）→旧夯土面刷生石灰浆( 增加新旧夯土粘结) →铺设湿搅拌好的灰土→夯土→表面湿养护→养护。为增加夯土在平行内墙表面的抗剪力，每夯500mm 高度铺设一层增强玻璃纤维网，新旧夯土之间采用锚固连接。夯筑时采用增强玻璃纤维网固定木椽，避免传统稻草吸潮。表面湿养护是保证夯实灰土达到设计强度的必要措施。

5.3 夯土老化评估

经过4 年的自然老化，2011 年11 月对排水槽修复和夯土加固的效果（图14）进行了回访。回访时刨开夯土层，取2 个样品，对其强度进行检测，结果为1 cm—3 cm 深度夯土抗压强度为0.2 MPa，3 cm—5 cm 深度的夯土抗压强度为3.8 MPa。据此推测，5 cm 深度以后夯土的强度为5 MPa 以上。这些数据说明，表层夯土的强度发生一定的衰减，衰减的深度在5cm 内，但不影响总体支撑加固城墙的功能。在此评估基础上， 2012 年7 月开始对存在危险的内侧夯土按照实验开发的工艺进行修复（图15）。

图14 内侧夯土加固2007年实验面修复前后（图片来源：戴仕炳摄）

图15 2012年7 月按照开发的工艺加固西城墙49#段（图片来源：山西朝杰古建筑工程有限公司提供）

6 结论与讨论

不同加固方法的对比说明，夯筑是较好地保护夯土城墙同时保留内侧夯土的有效方法。经过4 年时间的考验，2007 年完成的前期试验性施工段各部分结构均保存完好，达到了设计要求和提出的试验目标， 技术路线及工艺措施总体可行。城墙内侧夯土保护材料试验及工艺（含排水槽加固修复）应用部分，结构完好，新的夯土结构与老夯土间未见沉降或拉裂缝，说明新老夯土间设置拉结构造是必要的。新夯土结构表面存在粉化现象是热、水汽共同作用的产物，深度在5cm 内，在2006 年配方基础上有进一步优化的必要。直接暴露在雨水下的生土建筑可能没有一劳永逸的保护方案，在传统工艺上不断改进地维护[11] 以及巡查排险（图16）可能是正确的策略。

图16 平遥县文物局组织的2007年雨后排险（图片来源：戴仕炳摄）

7 致谢

特别感谢德国黑森州交通局的库尔博士（Dr. O.Kuhl）和德国韦茨拉尔（Wetzlar）土壤及建材中心前主任威尔摩士博士（Dr. W. Wilmers）对改性土研发提供的德文资料。威尔摩士博士还亲自来到现场指导工作，提交了考察报告、土的科学检测数据和保护建议等。

研究工作得到山西省文物局张才栋，平遥县文物局贾忠照、李树胜和中国文化遗产研究院张之平、黄克忠、顾军、袁毓杰、党志刚等的指导，山西朝杰古建筑工程有限公司、上海德赛堡建筑材料有限公司、吉林大学材料学院、同济大学建筑与城市规划学院历史建筑保护实验中心、北京东洋机械建筑工程有限公司、北京凯莱斯建筑工程有限公司等单位提供协助，在此一并表示感谢。