嚴(yán)紹軍,葉夢(mèng)杰,陳鴻亮,皮 雷,李 偉

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院,武漢 430074）

PS對(duì)克孜爾砂巖的加固效果研究

嚴(yán)紹軍,葉夢(mèng)杰,陳鴻亮,皮 雷,李 偉

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院,武漢 430074）

克孜爾石窟位于新疆庫(kù)車縣,是藏傳佛教傳入中原的中間地帶。石窟主要開(kāi)鑿在絕壁砂巖上,由于長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹日曬,加上位于活動(dòng)的地震帶上,近年來(lái)石窟多處坍塌,常有墜石從高處墜落,影響文物的價(jià)值并對(duì)游客的人身安全造成一定的影響。為了探究PS溶液對(duì)克孜爾砂巖的加固機(jī)理,首先對(duì)砂巖進(jìn)行了XRD礦物分析,然后設(shè)計(jì)了不同濃度的PS溶液分別加固砂巖。通過(guò)測(cè)量不同濃度加固過(guò)程中質(zhì)量、體積和波速的變化過(guò)程,并對(duì)比前后砂巖微觀結(jié)構(gòu)變化來(lái)研究PS對(duì)克孜爾石窟砂巖的加固機(jī)理及規(guī)律。結(jié)果表明：PS對(duì)克孜爾砂巖加固作用效果明顯,其中濃度為20%的PS溶液加固效果最好；隨著PS溶液逐漸凝固,波速升高；PS在砂巖顆粒與顆粒之間起著膠結(jié)作用,增強(qiáng)了砂巖的抗壓強(qiáng)度。

砂巖；克孜爾石窟；PS溶液；加固；力學(xué)強(qiáng)度；波速

2015,32（12）：55－59

1 研究背景

我國(guó)是一個(gè)文物大國(guó),相當(dāng)一部分文物瀕臨破壞,亟待加固修復(fù),尤其是土遺址文物的加固、文物賦存環(huán)境的改善、壁畫塑像的修復(fù)等工程是文物保護(hù)的重中之重。本文研究的克孜爾千佛洞位于庫(kù)車和拜城縣之間的克孜爾鄉(xiāng)東南7 km的木扎提河（渭干河）北岸河流階地陡崖之上。石窟約開(kāi)鑿始于公元3至公元4世紀(jì),即東漢末期,保存壁畫面積近1萬(wàn)m2。

在我國(guó)西北部分布很多開(kāi)鑿在泥巖上的洞窟,大多數(shù)洞窟的圍巖處于半膠結(jié)狀態(tài),強(qiáng)度極低,裂隙發(fā)育明顯。加上頻發(fā)的地震,使得這些文化瑰寶處于瀕臨消失的境地。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)石質(zhì)文物加固做了許多研究。文物保護(hù)加固工程的發(fā)展過(guò)程中發(fā)明研制出了很多加固材料。由于文物的特殊性,對(duì)這些加固材料的要求也非常高。蘇伯民等[1］利用SEM初步揭示了PS加固遺址土的機(jī)理。邵明申[2］討論了環(huán)境因素對(duì)加固前后遺址土的影響。

和法國(guó)[3］通過(guò)對(duì)PS加固前后的2種試樣進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試和抗風(fēng)蝕能力測(cè)試,得到了PS對(duì)原狀土加固效果明顯的結(jié)論。李最雄[4］對(duì)PS加固非飽和遺址土后的滲透特性進(jìn)行了研究。張得煊等[5］對(duì)新疆交河城經(jīng)PS材料土樣進(jìn)行熱傳導(dǎo)性能的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明經(jīng)PS加固的土樣的熱傳導(dǎo)率有減小的趨勢(shì),濃度越大,熱傳導(dǎo)率越小。嚴(yán)紹軍等[6］對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè),并對(duì)循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量衰減、強(qiáng)度變化、孔隙分布等進(jìn)行測(cè)試與分析。

由于西北部干旱地區(qū)的砂巖石窟受風(fēng)沙的侵蝕和凍融作用較明顯,石窟裂隙強(qiáng)烈發(fā)育,如圖1中107＃洞窟,就是受到裂隙切割形成危巖體。由構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙、層理面交切而成的危巖體也隨著裂隙的發(fā)育而形成,危巖體的穩(wěn)定性直接關(guān)系到石窟的穩(wěn)定性。而PS材料可以改變砂巖抗風(fēng)化能力弱的現(xiàn)狀,增強(qiáng)砂巖的凝聚力,起到加固巖體的作用。

圖1 克孜爾107＃洞窟上部的危巖體Fig.1 Perilous rock mass on 107th grotto at Kizil

2 試驗(yàn)方法

為了研究不同濃度的PS溶液對(duì)克孜爾石窟砂巖的加固機(jī)理,本次試驗(yàn)采用以下4種濃度（10.0%,13.3%,16.6%,20.0%）的PS溶液對(duì)巖樣進(jìn)行加固試驗(yàn)（見(jiàn)表1）。試驗(yàn)采用重塑制圓柱樣,待試樣制作成功,測(cè)量試樣的直徑、高度、質(zhì)量變化曲線直到數(shù)據(jù)完全趨于穩(wěn)定；烘干,烘箱溫度設(shè)定為50℃,測(cè)波速,連續(xù)10個(gè)循環(huán)；最后對(duì)試樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)[7－9］。

表1 巖樣編號(hào)及對(duì)應(yīng)的PS濃度Table 1 Rock sample numbers and corresponding concentrations of PS solutions

2.1 試驗(yàn)試件

由于克孜爾砂巖多孔隙,遇水即松散、結(jié)構(gòu)喪失,所以本次試驗(yàn)采用的是重塑樣,即將巖樣打散,加水后重塑成規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)高度為80 mm,直徑為40 mm的圓柱樣[10－12］。砂巖樣的主要成分為石英,少量長(zhǎng)石與云母片,結(jié)構(gòu)疏松,飽水后自動(dòng)破壞。分選較好,細(xì)粒結(jié)構(gòu),磨圓差,砂巖中發(fā)育大型的交錯(cuò)層理。

2.2 砂巖的物理參數(shù)

由于砂巖遇水即松散,本試驗(yàn)采用蠟封法測(cè)砂巖的天然密度；含水率采用烘箱烘干的辦法測(cè)出。物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖樣的物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of rock sample

2.3 砂巖試樣的XRD礦物分析

為了分析克孜爾砂巖的化學(xué)成分以及礦物組成,故對(duì)新鮮砂巖樣進(jìn)行了化學(xué)成分分析和XRD礦物分析試驗(yàn)。本次試驗(yàn)是在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成的。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3,表4。

從XRD及化學(xué)測(cè)試結(jié)果可以看出：

（1）砂巖中,顆粒物質(zhì)的主要成分為石英和長(zhǎng)石,其中石英的含量為18%～42%,平均為29.2%,除R1樣品外,其余均在25%以上；長(zhǎng)石的含量稍少,10%～17%,平均為12.7%。

（2）膠結(jié)物質(zhì)主要以泥質(zhì)和碳酸鹽膠結(jié)為主,黏土礦物類型主要為綠泥石和伊利石,其膨脹性一般,黏土礦物的含量為5%～18%,平均為11.7%。

表4 XRD半定量分析結(jié)果Table 4 Results of XRD test %

（3）砂巖中碳酸鹽含量很高,主要以方解石為主,少量白云石,碳酸鹽礦物的含量為37%～54%,平均為44.2%,碳酸鹽主要以2種形式存在于砂巖中：顆粒狀粒間充填和覆蓋于顆粒狀的長(zhǎng)石與石英表面。但對(duì)巖石強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很少,這對(duì)克孜爾石窟洞窟風(fēng)化有很大的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 砂巖物理性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要是研究用PS加固后的砂巖重塑樣的變形和質(zhì)量變化情況（圖2）。由于新疆庫(kù)車縣處于南疆,干旱、多地震,風(fēng)化程度嚴(yán)重,所以研究試樣的質(zhì)量變化、試樣的體積變化對(duì)后期進(jìn)行PS施工加固砂巖有指導(dǎo)意義。

圖2 質(zhì)量變化曲線Fig.2 Curves of quality changes

從圖2可以看出在后期的養(yǎng)護(hù)期間,用濃度為10%的PS溶液加固處理的砂巖質(zhì)量損失率最大,質(zhì)量從1 820 g減少到161.5 g,質(zhì)量損失率約為11.3%；用濃度為16.6%的PS溶液加固處理的砂巖質(zhì)量損失率最小,為5.9%；用濃度為20%的PS溶液加固處理的砂巖質(zhì)量損失率為7.9%。這是因?yàn)闈舛雀叩腜S在凝固過(guò)程中揮發(fā)嚴(yán)重,導(dǎo)致質(zhì)量損失率要比濃度為16.6%的大。

從圖3、圖4可以看出,用20%濃度的PS溶液加固處理的砂巖體積收縮率最小為4.2%。

表3 樣品化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of chemical compositions of rock samples

圖3 直徑變化曲線Fig.3 Curves of diameter changes

圖4 高度變化曲線Fig.4 Curves of height changes

3.2 砂巖微觀結(jié)構(gòu)分析

為分析PS對(duì)砂巖加固后微觀結(jié)構(gòu)的變化,故分別取未處理的新鮮巖樣和用PS處理后的砂巖樣送至中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5。

由圖5可看出加固后的巖樣表層微觀結(jié)構(gòu)改變了,砂巖顆粒表面被一層膠體狀物質(zhì)所包裹,并將砂巖顆粒膠聯(lián)在一起,形成膠結(jié)體[12－16］。顆粒間的空隙被PS膠體充填,結(jié)構(gòu)變致密了,未發(fā)現(xiàn)裂隙。尤其是用濃度為20%的PS加固后,砂巖表層結(jié)構(gòu)變得少空隙、少裂隙,顆粒之間充填較多粒狀礦物,形成比較強(qiáng)的膠結(jié)作用。

3.3 砂巖樣波速變化試驗(yàn)

本次試驗(yàn)研究了不同的PS濃度下砂巖的波速變化曲線,由圖6可看出,隨著PS溶液凝固,巖樣的波速均上升。說(shuō)明PS與巖樣發(fā)生反應(yīng),改變了巖體原有的物質(zhì)結(jié)構(gòu)；使得砂巖的孔隙變少了,原先的松散顆粒被凝固后的PS膠結(jié)起來(lái)了,結(jié)構(gòu)變致密了,從而使波速上升。

由圖6可看出在20%的PS濃度下加固的砂巖波速增加得尤為明顯,說(shuō)明20%是增加砂巖強(qiáng)度的最適濃度。

4 結(jié) 論

（1）克孜爾砂巖中的孔隙是影響砂巖強(qiáng)度的主要因素。砂巖遇水極易松散,強(qiáng)度急劇降低,抗風(fēng)化能力弱。

圖5 用不同濃度的PS加固前后微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Microscopic structure of rock before and after reinforcement with PS solution of different concentrations

圖6 不同PS濃度下加固后的波速變化曲線Fig.6 Curves of wave velocity variation of rock reinforced with PS solutions under different concentrations

（2）砂巖的質(zhì)量、體積變化反映了砂巖在PS加固后的質(zhì)量損失率和體積收縮率變化?？梢钥闯鲇脻舛葹?0%的PS加固后的砂巖收縮率最小。這樣有利于最大限度地減少對(duì)文物的二次破壞。

（3）巖樣波速間接反映了砂巖的強(qiáng)度?？梢钥闯鲆话阌肞S溶液加固處理的砂巖前期強(qiáng)度增加不明顯,15 d后強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了極值。

（4）加固后巖樣與新鮮巖樣相比波速均增加,PS濃度與砂巖的波速呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；其中經(jīng)過(guò)濃度為20%的PS溶液加固后的砂巖波速最高,PS里面的SiO2充填到砂巖顆粒之間,增大了砂巖的內(nèi)聚力。

（5）對(duì)試驗(yàn)前后的巖樣進(jìn)行電鏡掃描對(duì)比分析,看到大量的原先空隙被固體顆粒膠結(jié),基本無(wú)收縮變形,確保灌漿的密實(shí)性。

[1]蘇伯民,李最雄,胡之德.PS與土遺址作用機(jī)理的初步探討[J］.敦煌研究,2000,（1）：30－35.（SU Bomin,LI Zui-xiong,HU Zhi-de.Preliminary Discussion on the Mechanism of PS Acting on Soil Relics[J］.Journal of Dunhuang Research,2000,（1）：30－35.（in Chinese））

[2]邵明申.PS加固對(duì)非飽和遺址土的滲透特性影響研究[D］.蘭州：蘭州大學(xué),2010.（SHAO Ming-shen.Effect of PS Reinforcement on the Permeability Characteristics of Unsaturated Soil Relics[D］.Lanzhou：Lanzhou University,2010.（in Chinese））

[3]和法國(guó).交河故城崖體裂隙灌漿加固研究[D］.蘭州：蘭州大學(xué),2009.（HE Fa-guo.Grouting Reinforcement of Fissures in the Cliff of Jiaohe Ancient City[D］.Lanzhou：Lanzhou University,2009.（in Chinese））

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（編輯：王 慰）

長(zhǎng)江科學(xué)院3個(gè)948項(xiàng)目順利通過(guò)水利部驗(yàn)收

2015年11月8日至9日,水利部948項(xiàng)目集中驗(yàn)收會(huì)在武漢召開(kāi),會(huì)議由水利部國(guó)科司主辦、水利部科技推廣中心承辦。水利部科技推廣中心盧健處長(zhǎng)主持會(huì)議,水利部國(guó)科司曾向輝處長(zhǎng)到會(huì)并講話,曾向輝說(shuō),目前中央財(cái)政科技計(jì)劃體系改革正處于過(guò)渡期,在建設(shè)新科技計(jì)劃體系的同時(shí),也要做好以往科技計(jì)劃體系各類項(xiàng)目的相關(guān)工作特別是到期驗(yàn)收工作,希望此次驗(yàn)收會(huì)能圓滿完成預(yù)期目標(biāo)。

長(zhǎng)江科學(xué)院高度重視此次驗(yàn)收會(huì),汪在芹副院長(zhǎng)要求有關(guān)單位開(kāi)展了全面、細(xì)致的準(zhǔn)備工作。驗(yàn)收會(huì)上,長(zhǎng)江科學(xué)院參加此次驗(yàn)收的“土壤侵蝕動(dòng)力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程集成系統(tǒng)與技術(shù)”、“土石壩分布式光纖滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)示范與推廣”和“湖庫(kù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Lake-watch引進(jìn)”等3個(gè)項(xiàng)目均順利通過(guò)驗(yàn)收并得到了良好評(píng)價(jià)。

Effect of Potassium Silicate on the Reinforcement of Kizil Sandstone

YAN Shao-jun,YE Meng-jie,CHEN Hong-liang,PI Lei,LI Wei
（Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China）

Kizil grottoes are mainly digged on the precipice of sandstone in Kuqa of Xinjiang autonomous region,which is the middle route of Tibetan Buddhism being brought into China.Due to long-term weathering and active earthquake,collapses of grottoes have occurred frequently in recent years,detrimental to the value of cultural relics and safety of tourists.In order to explore the mechanism of reinforcing Kizil sandstone by PS（potassium silicate）solution,we first conducted XRD（X-ray diffraction）mineral analysis of sandstones,and then designed PS solutions of different concentrations to strengthen the sandstone respectively.We measured the variations of quality,volume,wave velocity in the presence of PS solutions of different concentrations,and compared the changes of sandstone’s microstructure to research the mechanism and regularity of reinforcement.Results show that the reinforcement effect is obvious,and PS solution of 20%concentration has the best effect；as the PS solution gradually solidifies,wave velocity increases by a large margin；PS plays a cementation role among particles,which enhances the compressive strength of sandstone.

sandstone；Kizil grottoes；PS solution；reinforcement；mechanical strength；wave velocity

TU451

A

1001－5485（2015）12－0055－05

10.11988/ckyyb.20140390

2014－05－11；

2014－05－27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（107KH136514）

嚴(yán)紹軍（1973－）,男,四川綿竹人,副教授,主要從事不可移動(dòng)巖土文物保護(hù)研究工作,（電話）027－67883507（電子信箱）shaojuncug＠qq.com。