張 悅，章云夢，黃繼忠

(1． 上海大學力學與工程科學學院，上海 200444； 2． 上海大學文化遺產保護基礎科學研究院，上海 200444)

0 引 言

作為一種經典的佛教建筑形式，石窟寺通常集洞窟構筑物、壁畫、雕像、塑像、題刻等于一體，是我國傳承脈絡最清晰，關聯(lián)性最密切，體系最完整的文物類型[1]。其絕大部分都開鑿于砂巖崖體上，具有內容豐富、年代悠久、價值重大的特點，因而屬于中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化中不可或缺的寶貴資源。

在外界復雜因素不同程度的侵擾下，石窟寺本體的耐久性在不斷降低，文化信息層遭到嚴重風化。尤其在文物底部約2 m范圍內的藝術雕刻已大面積消失，粉化、剝落和開裂病害普遍發(fā)育。這是由于水分極易通過毛細作用向砂巖這類多孔介質的內部遷移，引起一系列水-巖物理化學作用，如潤滑、軟化以及溶蝕、氧化還原等[2]。此外，干濕、凍融循環(huán)及伴隨的可溶鹽反復結晶過程會進一步改變砂巖礦物成分和微觀結構，加劇其外觀、質量和力學強度等宏觀性質的劣化[3-4]。因此，系統(tǒng)、深入地研究毛細水與石窟巖體的相互作用機制，是揭示相關病害機理、實現文物科學保護的必要前提。

巖石的毛細吸水特性決定了水分進入文物本體的數量、范圍和難易程度。Tsunazawa等[5]針對砂巖開展了室內研究，指出毛細水在尺寸較小孔隙中流動時所受阻力更大，上升速率更慢。張秀蓮等[6]通過權重分析計算發(fā)現莫高窟礫巖的毛細吸水率與孔隙率呈正相關，與伊利石和高嶺石含量呈負相關。還有成果表明，巖石毛細吸水能力會隨入滲溶液濃度[7]以及環(huán)境溫度[8]的提高而有所增加。自身孔隙結構是其中被公認為影響巖石內部毛細水時空分布演變和動態(tài)遷移機制的最主要因素，但目前針對我國重要石窟開展的定量化研究還十分缺乏。

實際上，巖石遇水還會發(fā)生體積膨脹，且其變形程度隨黏土礦物含量和微孔數量的增多而加劇[9-10]。近年來，石質文物表層空鼓開裂和片狀剝離等現象成因與材料脹縮特征之間的關聯(lián)逐漸受到重視。部分學者基于一系列試驗對巖石水化變形進行了定量表征，主要利用千分表或位移傳感器測定了試樣整體在吸水飽和過程中的線性膨脹規(guī)律[11-14]。何山等[15]借助掃描電鏡從微細觀角度揭示了水分進入紅砂巖后其礦物顆粒體積增大的全過程，并指出試樣風化程度的加深使膨脹變形發(fā)展到最終崩解的時間明顯變短。需要強調的是，風化病害主要發(fā)生在石質文物淺表層部位，尺度較小，常在厘米甚至毫米級，這使得更加精細化的測量成為當務之急。

基于此，本研究以我國3處典型石窟(世界文化遺產暨全國重點文物保護單位)——云岡石窟、大足石刻和樂山大佛為對象，選取當地新鮮砂巖開展常溫常壓條件下的蒸餾水一維毛細上升試驗，測定吸水率和毛細高度隨時間的變化，獲取試樣不同高度處表面局部微應變的發(fā)展規(guī)律，同時結合微觀測試分析孔隙結構對巖石宏觀性質的影響機制。通過研究以期加深對砂巖質石窟風化過程的理解和認知，為揭示毛細水相關的劣化機理提供豐富的參考數據，并向類似文物的病害評估與科學保護提供可靠的理論依據。

1 試驗概況

1．1 試驗材料

本研究所用新鮮砂巖分別采自云岡石窟(遺產監(jiān)測中心)、大足石刻(寶頂山臥佛頂部)和樂山大佛(景區(qū)東門)附近山體，與文物本體所處地層相同，均為未經風化的深部巖石。

依據GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》測定砂巖的基本物理性質，具體結果如表1所示。表2為X射線衍射分析得到的砂巖礦物組成，可見礦物種類基本相同，主要包含石英、長石和方解石，云岡砂巖的黏土總量約為其他砂巖的2倍。利用超景深顯微鏡將樣品表面放大80倍，發(fā)現云岡砂巖顆粒粒徑較大且接觸相對緊密，大足和樂山砂巖以中、細顆粒為主，粒間填充了大量基質(圖1)。

表1 新鮮砂巖的基本物理性質

表2 新鮮砂巖的礦物組成

圖1 新鮮砂巖的顯微照片Fig.1 Micrographs of fresh sandstones

1．2 試驗方法

采用巖石切割機將所取砂巖沿垂直沉積方向加工制成直徑50 mm，高度100 mm的圓柱體，控制誤差在±0.5 mm內。將試樣在110 ℃烘箱中烘干24 h后，放入底部盛有足量硅膠的干燥器內冷卻至室溫。為避免內部裂隙和孔洞等缺陷的影響，借助超聲波回彈儀對干燥樣品進行檢測，每種砂巖篩選出波速相近者作為平行樣，以開展后續(xù)試驗。

為監(jiān)測毛細上升過程中砂巖的局部變形發(fā)展規(guī)律，需預先在干燥試樣不同高度粘貼應變花。用毛刷清理其表面浮塵后，在側壁面距底部12.5 mm、25 mm、50 mm和75 mm處涂抹防水粘結劑，小心按壓應變花使之固定于相應位置，最后在引線焊接部位小心涂抹少量真空硅脂進行封護處理(圖2a)。所用應變花型號為BX120-3CA，每個都由3個電阻式應變片組成，分別指向0°、45°和90°方向，其技術參數為：電阻120 Ω，靈敏系數2.08，敏感柵覆蓋面積3 mm×2 mm。將應變花與數據采集分析儀相連后，整個系統(tǒng)能自動、連續(xù)記錄砂巖表面不同方向上的局部微應變情況。

取每種砂巖的平行樣置于容器中，各試樣下方墊放一塊透水石以保證其底面與水分充分接觸(圖2b)。沿容器內壁緩慢注入蒸餾水直至液面高出試樣底部約2 mm，待水面穩(wěn)定后開始計時，同時啟動應變數據采集系統(tǒng)。試驗過程中對容器頂部加蓋密封，以避免環(huán)境濕度波動的影響，減少容器內水分蒸發(fā)。為測定吸水率隨時間的變化，定期取出未粘貼應變片的試樣并用濕布輕輕擦去底部懸液，利用精度0.01 g的電子天平稱取其質量，同時借助游標卡尺測量毛細高度。具體而言，沿試樣四周方向每隔90°量取浸潤前鋒到吸水端的距離，取4次測試數據的平均值作為最終結果。整個試驗在溫度(26±1)℃、濕度(35±5)%的室內條件下進行。

當連續(xù)兩次測得的累計吸水量變化小于試樣初始干重的0.1%時認為毛細吸水達到穩(wěn)定，停止試驗。將試樣烘干至恒重后，在最具代表性的中心部位取樣，采用全自動壓汞儀獲取其微觀結構特征，儀器可探測孔隙直徑范圍為0.005～360 μm。

圖2 砂巖的蒸餾水一維毛細上升試驗Fig.2 One-dimensional capillary rise test for distilled water in sandstones

2 試驗結果

2．1 吸水率和毛細高度

圖3為吸水率隨時間變化，其中吸水率指試樣吸收的毛細水質量與其初始干重之比。試驗初期云岡和大足砂巖的吸水率增速相差不大，且都在約1 000 min后開始有所減緩。相比之下，樂山砂巖的吸水速率遠高于前兩者，最終吸水率為5.03%，分別是云岡和大足砂巖的1.45倍和1.72倍。大足砂巖達到質量穩(wěn)定所用的時間超過13 000 min，樂山砂巖耗時最短，云岡砂巖與之相似，10 000 min后其吸水率都幾乎不再變化。

圖4為毛細高度隨時間變化，可以看出樂山砂巖中水分上升至頂端的速度最快，云岡砂巖次之，均不超過8 000 min。試驗過程中還發(fā)現，大足砂巖的外觀為青灰色且吸水十分緩慢，干燥和潮濕部位的顏色差異隨時間發(fā)展不斷減小，憑借肉眼分辨浸潤前鋒所在位置的難度變大。因此，在水分上升至約試樣高度一半后的毛細高度讀數有所缺失。但根據前期的毛細高度變化趨勢仍可以推斷，毛細水在大足砂巖中的上升過程明顯滯后于其他兩種砂巖。

圖3 吸水率隨時間變化Fig.3 Variation of water absorption with time

圖4 毛細高度隨時間變化Fig.4 Variation of capillary rise height with time

圖3、圖4綜合表明，砂巖的整個毛細吸水過程呈現為3個階段：前期快速變化、中期緩慢變化和后期穩(wěn)定不變。值得注意的是，在浸潤前鋒到達頂部后的一段時間內，試樣吸水率仍在持續(xù)增加，表明水分進入砂巖內部的過程尚未停止。

GB/T 9966．13—2021《天然石材試驗方法》中規(guī)定巖石的毛細吸水系數C按式(1)計算：

2．2 表面局部微應變

圖5為砂巖不同高度處的表面局部微應變隨時間變化曲線，包括其在水平、斜45°和豎直方向的發(fā)展規(guī)律。綜合而言，云岡、大足以及樂山砂巖的水化變形能力明顯不同，其各自微應變的最終值分別在60.4～140.1、658.1～756.0和1 039.3～1 559.1 μm/m范圍內，數量級上存在較大差異。云岡和樂山砂巖的微應變發(fā)展趨勢具有短時間內急速上升并逐漸達到穩(wěn)定的特征，而大足砂巖的微應變增大過程相對平緩。此外，對比相同砂巖的微應變曲線可知，高度較大位置處的變形起始時刻相對更晚，這與浸潤前鋒由試樣底部逐漸上移密切相關。由于毛細水在樂山、云岡和大足砂巖中的上升速率依次降低，因此3種試樣中高度50 mm處的微應變發(fā)展相較25 mm處滯后的時間間隔也隨之變長。

以云岡砂巖為例，肉眼觀測毛細高度上升至試樣25 mm和50 mm處的用時分別為305 min和1 365 min(圖4)。然而，相應位置處的水平微應變在約40 min和400 min起就出現讀數并緩慢增長，同時豎直和斜45°方向微應變隨時間的發(fā)展呈現非單調變化，即由初始值先減小為負，再逐漸增大(圖5a～5b)。具體而言，這表明在浸潤前鋒到達應變花所監(jiān)測的部位之前，該局部區(qū)域雖仍保持干燥，但下方附近巖石的水化膨脹對其產生一定程度的橫向拉伸作用，因此誘發(fā)了微小的水平應變。相應的，泊松效應導致其在豎直方向發(fā)生收縮。當浸潤前鋒逐漸經過應變花監(jiān)測部位時，整個區(qū)域不斷吸水飽和，體積發(fā)生充分膨脹，從而使各方向上的微應變均快速增大。

由圖5c～5f可知，大足和樂山砂巖的表面局部微應變發(fā)展規(guī)律大體上與云岡砂巖類似，即試樣局部位置在浸潤前鋒還尚未到達相應高度時就開始產生變形，且豎直和斜45°方向的微應變隨時間的發(fā)展也遵循先減小為負，再逐漸增大的非單調變化。此外，試樣吸水穩(wěn)定后，其不同高度處各方向的微應變最終值并不完全一致，這主要與天然巖石自身物質組成與結構的非均勻性和各向異性有關。但從圖5中不難看出，云岡、大足和樂山砂巖的水化膨脹能力總體上依次增強。

圖5 砂巖表面局部微應變隨時間變化Fig.5 Variation of local microstrain on the surface of sandstones with time

2．3 微觀結構

如圖6a所示，壓汞試驗得到不同砂巖的累計進汞量由大到小依次為云岡、樂山和大足，但試驗同時發(fā)現樂山試樣的開口孔隙率和毛細吸水率最高。該偏差可能與壓汞法自身局限性有關，即砂巖中含有的一部分直徑超出儀器量程(360 μm)的過大孔隙無法被測得。

根據溶液在多孔介質中運動時所受驅動力的不同，可將孔隙按尺寸分為由重力控制的大孔(>2 500 μm)、由毛細力控制的中孔(0.1～2 500 μm)以及由吸附力控制的微孔(<0.1 μm)[16]。也有學者把大孔、中孔的分界值劃定為1 000 μm，并強調溶液的流動性隨孔徑變小而減弱[17]。很明顯，云岡、大足和樂山砂巖的孔隙構成均以中孔和微孔為主，其中中孔體積占總孔隙體積的比例分別為74.68%、73.14%和78.95%，相差不大。

圖6b中的孔徑分布曲線顯示，大足砂巖的曲線峰值位于孔徑0.284 μm處，少量孔隙出現在1～3 μm之間。相比之下，云岡砂巖的曲線峰值有所降低且向右偏移，對應孔徑增大至0.554 μm。樂山砂巖曲線上出現了2個高度較低峰值，分別在孔徑0.549 μm和11.334 μm。3種砂巖中，樂山砂巖的孔徑分布區(qū)間最大，1 μm以上的毛細孔數量明顯更多。需要注意的是，樂山砂巖的孔徑分布曲線在2～5 μm之間出現陡降，該現象可能是由壓汞試驗操作方法所致。本研究所用壓汞儀包含不同壓力倉，一般情況下，試樣先在低壓倉內進行測試，結束后需卸除外壓，再將其取出并轉移至高壓倉內重新加壓測試。這一步驟會導致局部孔徑范圍內的注汞體積測量誤差[18]，但對于整體對比分析不同砂巖的微觀結構特征而言并無太大影響。

圖6 不同砂巖微觀結構特征Fig.6 Microstructural characteristics of different sandstones

3 討 論

3.1 毛細吸水

毛細現象與固、液分子的物理化學相互作用有關，通常是固體吸附力和液體表面張力之間取得一定平衡的結果。巖石是由親水性礦物膠結而成的多孔介質，水分作為潤濕液體，能夠在毛細力的驅動下自發(fā)進入其內部。然而，巖石微觀結構極其復雜，孔隙的數量、大小、形狀、連通性和曲折度等特征都會對宏觀的水分傳輸過程造成影響。

毛細力大小與孔徑呈反比，因此水分一旦與巖石接觸，會優(yōu)先進入納米級小孔。隨著時間延長，小孔飽和度逐漸增加并使其毛細力降低，接著才有更多亞微米和微米級的相對較大孔隙參與到吸水過程中[5，19]。巖石孔徑分布曲線反映的正是不同直徑孔隙各自所占的比例，其形態(tài)可分為均一型、半均一型和非均一型，越均一則代表孔徑分布范圍越窄，孔隙尺寸越集中[20]。Graue等[17]發(fā)現，當主要毛細孔徑在5～10 μm甚至更大時，試樣吸水潛能極強，但若大部分孔隙都集中處于1 μm以下，滲流的附加阻力顯著增加，反而不利于水分遷移。本研究也得到類似結果，即孔徑整體偏小且分布均一的大足砂巖吸水速率最慢，相比之下，孔徑變化范圍大且10 μm附近孔隙數量較多的樂山砂巖更容易進行毛細吸水。

在毛細吸水初期，水分因毛細力作用滲入巖石相互連通的孔隙網絡中，相應飽和度快速增大，浸潤前鋒也不斷上升。當毛細高度到達試樣頂端后，其質量仍在一段時間內保持緩慢增加，表明吸水過程進入了以重分布為主的第二階段。此時，水分在化學滲透壓和毛細力的共同影響下向著黏土礦物內部以及孔隙更深處擴散[19]。然而，由于孔道截面的尺寸變化并非均勻，瓶頸效應易使水流被氣泡阻塞，無法完全填充孔隙，因此3種砂巖試樣的最終毛細吸水率均小于其在抽真空條件下的飽和吸水率。

3．2 水化變形

粒徑小于2 μm的黏土礦物常被認為是巖石發(fā)生水化膨脹的物質基礎與關鍵因素，其內在機制包括兩個方面[9]：1)晶格膨脹，即水分進入礦物顆粒內部并和層間陽離子發(fā)生水合作用；2)滲透膨脹，在礦物顆粒表面附近溶液和孔隙溶液濃度差作用下，水分向顆粒移動而使水化膜厚度增加。所有黏土礦物都能發(fā)生滲透膨脹，而晶格膨脹只出現在特定礦物中，且其變形程度遠高于前者。由于晶片形狀、大小薄厚、帶電量以及陽離子交換能力等性質的差異，黏土礦物水化能力明顯不同，通常認為的膨脹性由強到弱依次為：蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石，混層礦物大體居中[21]。黏土礦物成分決定了巖石的崩解產物類型，其在蒙脫石較多時呈片狀或泥狀，在伊利石和高嶺石較多時則呈碎塊狀。

水化變形還受巖石內各種晶體顆粒間膠結情況的影響。按成分來說，常見膠結類型有鐵質膠結、硅質膠結、鈣質膠結和泥質膠結等，其膠結力度依次遞減[22]。巖石的膠結程度越差，顆粒在水分作用下則更容易分散，導致體積膨脹、力學強度降低。此外，巖石水化膨脹量還與微孔(<0.1 μm)所占比例及其平均孔徑表現出正相關關系[10]。

本研究的3種砂巖微孔孔隙率相差不大，且均不含蒙脫石和綠泥石。盡管云岡砂巖黏土總量最高，但基本以幾乎不發(fā)生膨脹的高嶺石為主；大足和樂山砂巖的黏土礦物總量相對較低，然而絕大部分組分都具有弱膨脹性。另外，已有成果還表明，云岡砂巖為鈣、鐵質膠結[23]，大足砂巖以鈣質膠結為主，含少量泥質膠結[24]，樂山砂巖則具有鈣質、鐵質以及泥質膠結[25]。綜合多方面因素分析，證實樂山砂巖具有較強的膨脹能力，而云岡砂巖水化變形程度小，相對穩(wěn)定。

3．3 文物劣化機理

云岡石窟早年長期處于無人管理的狀態(tài)，洞窟內常發(fā)生雨水倒灌和積水現象，導致底部石雕破壞十分嚴重。1949年后，周邊煤礦開采使地下水位降低，同時實施了窟前路面的下降和硬化工程，從而使排水疏導問題得到有效解決，相關水害在近年來明顯緩解。與地處半干旱區(qū)的云岡石窟相比，大足石刻和樂山大佛所在地區(qū)氣候更加濕潤，蒸發(fā)量小，年平均降水量多在1 000 mm以上，且后者緊鄰岷江、青衣江、大渡河三江交匯處，因此更容易受到毛細水的頻繁侵擾。巖石的毛細吸水速率越快，相同條件下進入其內部的水量就越多，運移距離也越遠，表明水分對文物本體造成潛在危害的范圍和程度也更大。

現實情況中，文物因毛細力作用而吸收外部水分的主要途徑不但有地下水或地面積水的豎直向上運移，還包括降雨期間雨滴擊打文物表面后的水平向內運移。毛細水持續(xù)進入文物本體使黏土礦物充分水化，顆粒的體積和間距都逐漸變大，因此在沒有外力限制的文物表面極易形成粉化、崩解現象(圖7a)。尤其當雨水由外表面水平向內運移時，浸潤前鋒經過之處產生膨脹，而其前方干燥區(qū)域則往往變形受限，甚至有輕微收縮。由于具有層狀沉積結構，砂巖本身就表現出較強的各向異性，這種內、外含水率差異造成的局部變形不協(xié)調會進一步加劇分層處的剪切應力。多次降雨引發(fā)的反復干濕循環(huán)會導致材料疲勞，在其薄弱界面處誘發(fā)細微裂紋甚至空鼓，最終產生片狀剝離(圖7b)。

此外，原本新鮮砂巖的一系列物理化學性質在真實的復雜環(huán)境作用下不斷發(fā)生改變，如孔隙率增大、膠結物溶蝕、黏土礦物含量增多(長石高嶺石化)等。這些因素綜合影響著材料與毛細水的相互作用方式，決定了其宏觀吸水和變形能力，從而使文物后續(xù)的劣化進程更加難以預測。

圖7 砂巖質石窟文物表面病害Fig.7 Pathologies on the surface of sandstone grottoes

4 結 論

本研究針對3處典型砂巖質石窟(云岡石窟、大足石刻、樂山大佛)開展了蒸餾水在新鮮砂巖內的一維毛細上升試驗，通過研究吸水率、毛細高度以及試樣表面局部變形隨時間的發(fā)展規(guī)律，并結合孔隙結構特征分析，從宏、微觀角度探討了毛細水與石窟巖體的相互作用機制。主要結論如下：

1) 樂山砂巖的吸水率和毛細高度變化速率均為最大，云岡砂巖次之，大足砂巖最小，整個毛細吸水過程可分為前期快速變化、中期緩慢變化和后期穩(wěn)定不變的3個階段；

2) 云岡、大足和樂山砂巖的水化變形能力依次增加，表面局部應變的發(fā)展規(guī)律與浸潤前鋒運移的快慢有關，豎直和斜45°方向應變隨時間呈現出先收縮后膨脹的非單調變化趨勢；

3) 砂巖毛細吸水及水化變形特征的主控因素分別為微觀孔隙結構和黏土礦物成分，定量研究與毛細水相關的材料宏觀性質對于揭示現場文物本體表面風化病害(如粉化、崩解、開裂、片狀剝離等)的成因具有重要意義。