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

克孜爾石窟砂巖PS加固抗凍融試驗(yàn)

王磊，嚴(yán)紹軍，陳嘉琦，竇彥，葉夢杰

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

室內(nèi)試驗(yàn)循環(huán)凍融條件下，對克孜爾石窟的砂巖加入不同質(zhì)量百分比和不同濃度的PS(Potassium Silicate,硅酸鉀)溶液進(jìn)行加固，測量凍融后砂巖試樣的質(zhì)量、體積、波速以及抗壓強(qiáng)度，得出PS溶液的較優(yōu)加固濃度以及質(zhì)量百分比。結(jié)果表明：質(zhì)量百分比為25%的PS溶液加固效果最好。其原因是質(zhì)量百分比過低會導(dǎo)致砂巖黏聚力不夠;當(dāng)百分比過高，顆粒之間將不能直接接觸，摩擦力降低，黏聚力較差。PS溶液濃度為20%時，其質(zhì)量、體積、波速和抗壓強(qiáng)度損失率最小，濃度越高,加固效果越強(qiáng)。

克孜爾石窟砂巖;PS溶液濃度；質(zhì)量百分比；循環(huán)凍融；抗壓強(qiáng)度

1 研究背景

克孜爾石窟位于新疆拜城縣克孜爾鄉(xiāng)東南7 km的木扎提河(渭干河)北岸河流階地陡崖之上，開鑿于東漢末期，整個石窟含有洞窟236個，洞窟內(nèi)壁畫精美，是絲綢之路上一顆璀璨的明珠。一千多年以來，在自然界各種營力的作用下，克孜爾石窟產(chǎn)生了巖體開裂、失穩(wěn)、風(fēng)化、崩塌、滲水以及鹽堿等多種病害，其中風(fēng)化是克孜爾石窟目前面臨的最為嚴(yán)重的問題之一。石窟所處的新疆地區(qū)晝夜溫差大，最大可達(dá)到39 ℃，石窟巖體承受的凍融循環(huán)引起的物理風(fēng)化對石窟巖體穩(wěn)定性、文物的完整性產(chǎn)生的不利影響非常嚴(yán)重，因此，利用室內(nèi)試驗(yàn)研究循環(huán)凍融條件下PS溶液(特定模數(shù)硅酸鉀溶液,廣泛應(yīng)用于土遺跡保護(hù)加固工程)加固克孜爾石窟砂巖的機(jī)理，對石窟巖體穩(wěn)定性評價(jià)和保護(hù)具有重要的意義。

近年來，國內(nèi)外對巖石在凍融循環(huán)作用下的破壞機(jī)理、破壞規(guī)律等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。如張慧梅、楊更社[1]通過凍融巖石損傷劣化及力學(xué)特性試驗(yàn)研究對砂巖和頁巖進(jìn)行開放飽水狀態(tài)下的凍融循環(huán)試驗(yàn),分析了巖石的凍融損傷劣化過程，并對2種巖石凍融損傷的同一性和差異性進(jìn)行比較。項(xiàng)偉、劉珣[2]通過凍融循環(huán)條件下巖石-噴射混凝土組合試樣的力學(xué)特性試驗(yàn)研究,揭示研究對象在不同含水狀態(tài)(干燥或飽和)、不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下的損傷模式、破壞準(zhǔn)則及強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律。趙海英等[3]通過20 d的試驗(yàn)研究和現(xiàn)場加固表明，PS(Potassium Silicate,硅酸鉀)材料模數(shù)、濃度對加固效果的影響比較顯著，PS材料加固土的強(qiáng)度普遍提高,加固土強(qiáng)度隨濃度的增加而遞增。方云等[4]通過對云岡石窟砂巖進(jìn)行循環(huán)凍融試驗(yàn)，分析歸納出凍融循環(huán)條件下云岡石窟砂巖的主要物理力學(xué)特性。常丹等[5]對不同凍融循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度、圍壓下的粉砂進(jìn)行常規(guī)靜三軸剪切試驗(yàn),研究凍融循環(huán)后土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、靜強(qiáng)度、彈性模量、抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律。Nicholson等[6]對10種含有原生裂隙的沉積巖進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了原生裂隙對巖石凍融破壞的影響，并提出4種凍融破壞模式。Chen等[7]通過對日本札幌的凝灰?guī)r進(jìn)行在不同含水率下的凍融破壞試驗(yàn)，研究了含水率與未凍水含量對巖石凍融損傷強(qiáng)度的影響規(guī)律。而上述試驗(yàn)均未對PS溶液在不同濃度且不同PS質(zhì)量百分比的情況下作過研究。

本文對不同濃度和不同質(zhì)量百分比的PS溶液加固后的克孜爾石窟砂巖進(jìn)行凍融循環(huán)(16 h，即冷凍8 h，溶解8 h)試驗(yàn)研究。通過分析凍融前后巖樣在質(zhì)量、體積、波速及強(qiáng)度等指標(biāo)的變化規(guī)律，得出了PS的最優(yōu)加固濃度及飽和度，為同類石窟加固保護(hù)提供了一定的參考依據(jù)。

2 試樣制作和試驗(yàn)方案

2.1 巖 樣

表1 試驗(yàn)試樣所采用PS溶液參數(shù)Table 1 Parameters of potassium silicate solution for test samples

圖1 砂巖掃描電鏡試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Image of scanning electron microscope of sandstone

2.2 試驗(yàn)步驟和方法

(1) 將所有巖樣在室溫下測量質(zhì)量、體積、超聲波波速。

(2) 對15種巖樣進(jìn)行循環(huán)凍融，將巖樣在(-20±0.5) ℃凍結(jié)，凍結(jié)8 h后，再在(40±0.5) ℃下進(jìn)行溶解8 h，為一次凍融試驗(yàn)。依次進(jìn)行7次凍融試驗(yàn)，每次凍融試驗(yàn)結(jié)束后，將巖樣冷卻到室溫，再測量各巖樣的質(zhì)量和幾何尺寸。

(3) 利用RSM-SY5聲波檢測儀和平面換能器(頻率100 kHz)，進(jìn)行超聲波波速測試。

(4) 單軸壓縮試驗(yàn)在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)土工實(shí)驗(yàn)室TSY30-2型臺式三軸壓縮儀上進(jìn)行，試驗(yàn)采用軸向位移速率控制，位移速率為0.4 mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量變化

巖樣凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率如圖2所示。

圖2 巖樣質(zhì)量損失率Fig.2 Rate of mass loss of rock sample

圖3 巖樣體積損失率Fig.3 Volume change rate of samples

由圖2可知，15組巖樣在循環(huán)凍融結(jié)束后質(zhì)量都有損失。對于3種不同濃度下的PS溶液，在質(zhì)量百分比為15%～25%之間其質(zhì)量損失率逐漸減小，而質(zhì)量百分比為25%～35%的情況下質(zhì)量損失率逐漸增大，說明PS質(zhì)量百分比在25%左右時，加固狀態(tài)最好，巖樣的強(qiáng)度較好，抗凍融能力較強(qiáng)。PS濃度為15%，質(zhì)量百分比為25%時，其質(zhì)量損失率最小，抗凍融能力最強(qiáng)。而濃度為20%時，其質(zhì)量損失率大于濃度為15%的巖樣，這是因?yàn)闈舛雀叩腜S溶液在凝固過程中揮發(fā)嚴(yán)重，從而導(dǎo)致質(zhì)量損失率過大。當(dāng)質(zhì)量百分比達(dá)到35%時，3種濃度的質(zhì)量損失率基本相同，說明質(zhì)量百分比過高時，濃度的影響將降低。

3.2 體積變化

圖3為巖樣歷經(jīng)7次凍融循環(huán)后的體積損失率。根據(jù)測量巖樣的幾何尺寸，得到巖樣凍融前后的體積變化(見表2)。

表2 巖樣凍融循環(huán)前后體積變化量Table 2 Volume changes of samples before and after freezing and thawing cycles

由圖3、表2可知：

(1) 由于所用巖樣為強(qiáng)風(fēng)化的砂巖重塑樣，其強(qiáng)度低，黏結(jié)力低，大部分在凍融前3次的時候，體積損失量很大。

課堂教學(xué)是一個師生交互共同成長的過程。教師一方面可為學(xué)生提供必要的資源；另一方面可以開發(fā)和利用來自學(xué)生的資源，并以此作為“撬動學(xué)生創(chuàng)新思維的支點(diǎn)”，使課堂成為一個資源不斷生成和動態(tài)不斷發(fā)展的過程，發(fā)揮學(xué)生的能動性和創(chuàng)造性。

(2) 從圖3中得知，在3種不同濃度下，均出現(xiàn)了PS溶液質(zhì)量百分比為20%和30%時，體積損失率大于質(zhì)量百分比為15%,25%,35%的情況，成M形規(guī)律，說明在這2種飽和度下，其巖體加固效果會降低。

(3) 在相同濃度情況下，當(dāng)PS溶液質(zhì)量百分比為25%時，其體積損失率均為最小，說明此時加固劑有效利用率最高，加固效果最好，抗凍融循環(huán)能力最強(qiáng)。此時膠結(jié)狀態(tài)最好，顆粒之間有一部分直接接觸，其余由膠結(jié)物連接，此時摩擦力最大，黏聚力強(qiáng)。

3.3 超聲波速變化

本次試驗(yàn)研究了不同濃度和不同飽和度下的重塑巖樣的波速變化曲線。超聲檢測可評價(jià)巖體的完整程度，從而評定巖石工程的穩(wěn)定性。由圖4可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，巖樣的波速均下降。主要是因?yàn)閮鋈谠囼?yàn)導(dǎo)致了巖樣裂隙的增多，結(jié)構(gòu)松散。

圖4 不同PS濃度下加固后的波速變化曲線Fig.4 Curves of wave velocity variation of rock reinforced with potassium silicate solution of different concentrations

從圖4可看出，未經(jīng)凍融循環(huán)時,在相同濃度時，當(dāng)PS質(zhì)量百分比為25%時，其波速最大，說明此巖樣孔隙變少，完整性更好，結(jié)構(gòu)更加緊密，強(qiáng)度更大。

從圖4可得出，當(dāng)PS質(zhì)量百分比為25%時，PS濃度10%的巖樣波速為650 m/s，濃度15%的巖樣波速為1 120 m/s，而濃度20%的巖樣波速為1 450 m/s。通過對比分析，從抗凍融能力方面來說，用PS濃度為20%溶液加固后，巖樣波速最大，說明提高克孜爾石窟砂巖密實(shí)度用20%濃度PS溶液效果最佳。

3.4 抗壓強(qiáng)度變化

本試驗(yàn)主要是對比研究凍融作用后巖樣無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度。為了充分比較，將NO-3,NO-8,NO-13這幾個樣在凍融前做了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果與凍融循環(huán)后相比較，結(jié)果見表3。

表3 凍融前后抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strength before and after freezing and thawing

通過表4可以看出：PS質(zhì)量百分比為25%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較其他試樣要大，說明PS質(zhì)量百分比為25%的試樣抗凍融能力較強(qiáng)，而且這與波速測試結(jié)果一致。此外，從縱向比較發(fā)現(xiàn)濃度高的PS溶液加固砂巖，其力學(xué)強(qiáng)度較高。

表4 凍融循環(huán)結(jié)束后試樣無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of unconfined uniaxial compressive strength of samples after freeze-thaw cycles

從表4中得出：單從抗凍融能力方面，PS濃度為15%時，巖樣的力學(xué)強(qiáng)度損失率來看最小，說明抗凍融能力最強(qiáng)，與波速測試結(jié)果相一致;而從抗壓強(qiáng)度方面來看，濃度為20%時，巖體抗壓強(qiáng)度最高，為1 346.10 kPa。

4 結(jié) 論

(1) 在經(jīng)過凍融循環(huán)后，所有巖樣的質(zhì)量均有不同程度的下降，而在PS質(zhì)量百分比為25%時，質(zhì)量損失率最小。PS濃度為10%時，質(zhì)量損失率為10.7%～27.8%，濃度為15%時，質(zhì)量損失率為9.4%～20.5%，濃度為20%時，其質(zhì)量損失率為18.2%～21%，這說明PS濃度不是影響質(zhì)量變化的主要因素。

(2) 多次凍融循環(huán)過程中，巖樣體積損失率很大，特別是前幾次凍融。3種濃度下，PS質(zhì)量百分比為25%時，其體積損失率均最小。這可以最大限度地控制文物的二次破壞。

(3) 每次凍融結(jié)束后測試巖樣波速，發(fā)現(xiàn)重塑樣的波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減少。當(dāng)PS質(zhì)量百分比為25%的情況，其波速最大，抗凍融能力最強(qiáng)。當(dāng)PS濃度為15%且質(zhì)量百分比為25%時，其波速損失率最小，是23.13%，抗凍融能力最強(qiáng)。

(4) 在凍融循環(huán)后的單軸抗壓強(qiáng)度測試中，發(fā)現(xiàn)巖樣的無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度隨著PS濃度的增加而不斷增大。當(dāng)PS質(zhì)量百分比為25%時，濃度為15%的情況，強(qiáng)度損失率僅為5.35%，抗凍融能力最強(qiáng),而濃度為20%時，其抗壓強(qiáng)度最大。

[1] 張慧梅,楊更社.凍融巖石損傷劣化及力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(10):1756-1762.

[2] 項(xiàng) 偉,劉 珣.凍融循環(huán)條件下巖石-噴射混凝土組合試樣的力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(12):2510-2521.

[3] 趙海英,王旭東,李最雄,等.PS材料模數(shù)、濃度對干旱區(qū)土建筑遺址加固效果的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(3):557-562.

[4] 方 云,喬 梁,陳 星,等.云岡石窟砂巖循環(huán)凍融試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2014,35(9):2433-2442.

[5] 常 丹,劉建坤,李 旭,等.凍融循環(huán)對青藏粉砂土力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(7):1496-1502.

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[10] 邵明申，李最雄．PS對非飽和重塑黏土的土-水特征曲線的影響[J]．中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，42(5):1432-1436.

(編輯：趙衛(wèi)兵)

Freezing and Thawing Test on Sandstone of Kizil Grottoes Strengthenedby Potassium Silicate Solution

WANG Lei,YAN Shao-jun,CHEN Jia-qi,DOU Yan,YE Meng-jie

(Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Through laboratory test under cyclic freezing and thawing,the sandstone of Kizil grottoes was reinforced by potassium silicate solution of different mass percentages and concentrations.The volume,mass,wave velocity and compressive strength of reinforced sandstone samples after freezing and thawing were measured,and the optimal concentration and mass percentage of potassium silicate solution were obtained.Results showed that potassium silicate solution of 25% mass percentage has the best strengthening effect because low mass percentage would result in inadequate cohesion whereas high mass percentage would lead to low friction and cohesion with no direct contact between particles.Higher concentration of potassium silicate solution leads to better strengthening effect.The loss of volume,mass,wave velocity and compressive strength of sandstone reinforced by potassium silicate solution of 20% concentration is the smallest.

sandstone of Kizil Grottoes; concentration of potassium silicate solution; mass percentage; cyclic freezing and thawing; compressive strength

TU445

A

1001-5485(2017)10-0130-04

2016-06-21；

2016-08-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(107KH136514)

王 磊(1993-)，男,湖北荊州人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲奈锉Ｗo(hù),(電話)13517274640(電子信箱)763444176@qq.com。

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

10.11988/ckyyb.20160634 2017,34(10):130-133