石質(zhì)文物通常以砂巖居多，巴中南龕石窟砂巖長(zhǎng)期經(jīng)受日曬、風(fēng)蝕、雨淋等水巖循環(huán)侵蝕及酸雨侵蝕作用，研究此環(huán)境下砂巖物理特性是必要的。對(duì)巴中地區(qū)砂巖開展酸性環(huán)境下砂巖干濕循環(huán)作用模擬試驗(yàn)，探究了砂巖飽和吸水特性及孔隙率變化，結(jié)合SEM圖像分析了微觀層面下砂巖在酸性環(huán)境及中性環(huán)境下形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明：巴中地區(qū)砂巖在酸性環(huán)境干濕循環(huán)作用下飽和吸水率及孔隙率均符合負(fù)指數(shù)函數(shù)趨勢(shì)變化，且酸性環(huán)境越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)指標(biāo)的變化越強(qiáng)；SEM圖像表明，在干濕循環(huán)作用下，巴中砂巖在中性環(huán)境下孔隙增多，酸性環(huán)境下還出現(xiàn)大量微裂紋，孔隙更連通。

砂巖； 干濕循環(huán)； 飽和吸水率； 孔隙率； SEM

TU452A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-02-20

［作者簡(jiǎn)介］滕強(qiáng)（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)樘厥鈳r土。

0" 引言

石窟文化是華夏文明與佛教文化共同孕育的藝術(shù)結(jié)晶。石質(zhì)文物通常以砂巖居多，如印度凱拉薩神廟、柬埔寨巴戎寺、國(guó)內(nèi)的敦煌莫高窟、龍門石窟、云岡石窟等，砂巖本身分布較廣、硬度較低、易于雕刻，廣泛應(yīng)用在世界石質(zhì)文物營(yíng)造過(guò)程中。但砂巖在成巖過(guò)程中沉積環(huán)境、賦存環(huán)境各有不同，不同區(qū)域砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及礦物成分存在差異，在物理特性的表現(xiàn)上也存在明顯區(qū)別。而南龕石窟地區(qū)所賦存砂巖長(zhǎng)期經(jīng)受日曬、風(fēng)蝕、雨淋等水巖循環(huán)侵蝕作用。南龕石窟地區(qū)位于我國(guó)西南酸雨區(qū)內(nèi)，在二十一世紀(jì)以前酸雨的發(fā)生頻率較大，近年內(nèi)雖該地區(qū)遭遇酸雨的幾率較小，但水巖循環(huán)作用是一種長(zhǎng)期性的過(guò)程，酸雨對(duì)水巖循環(huán)的影響不容忽略，因此對(duì)此環(huán)境下砂巖的巖石特性進(jìn)行研究十分必要。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水巖作用方面均取得很多研究成果，A.Hutchinson等［1］通過(guò)鹽酸、硫酸模擬環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)石灰石在酸雨腐蝕后的力學(xué)性質(zhì)弱化機(jī)制進(jìn)行了研討；H. L. Stück 等［2］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)德國(guó)中部的薩勒地區(qū)砂巖進(jìn)行水巖作用下巖石物理性質(zhì)以及風(fēng)化行為的研究。巫錫勇等［3］通過(guò)黑色頁(yè)巖水巖作用流通試驗(yàn)，得出水巖作用是使地表巖層形態(tài)和功能性質(zhì)化成變化的主要因素之一，其本質(zhì)是各種水介質(zhì)與巖體中各組成礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。劉新榮等［4］總結(jié)出水巖相互作用過(guò)程中，水處于地下或地表的賦存狀態(tài)會(huì)被巖石改變，同時(shí)水自身也會(huì)形成對(duì)巖石的反復(fù)侵蝕作用，進(jìn)而得出巖石劣化的形成機(jī)理及其物理力學(xué)性質(zhì)變化的部分規(guī)律。張梁［5］開展了酸性侵蝕條件下干濕循環(huán)作用泥質(zhì)砂巖的物理力學(xué)特性試驗(yàn)，分析了干濕循環(huán)及酸溶液浸泡作用對(duì)泥質(zhì)砂巖微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響效應(yīng)，探討了泥質(zhì)砂巖的水-巖損傷機(jī)理。張景科等［6］以慶陽(yáng)北石窟弱膠結(jié)砂巖為研究對(duì)象，分別設(shè)置凍融循環(huán)、干濕循環(huán)兩組單因素風(fēng)化模擬試驗(yàn)，得出水-巖頻繁作用導(dǎo)致的顆粒耦合關(guān)系改變是巖石劣化的關(guān)鍵。開展酸性環(huán)境下砂巖干濕循環(huán)作用試驗(yàn)，對(duì)砂巖飽和吸水性變化進(jìn)行探究，具有一定的科學(xué)意義。

1" 試驗(yàn)方案

取與南龕石窟附近同一地層的未雕刻白龍組砂巖作為樣品對(duì)象。試驗(yàn)前采用瑞士Proceq Pundit Lab超聲波檢測(cè)儀對(duì)砂巖試樣進(jìn)行縱波波速測(cè)試，篩選出無(wú)原生裂隙、完整無(wú)磕碰且波速相近的試樣作為目標(biāo)樣品進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，波速篩選范圍為1 900～2 200 m/s。試驗(yàn)共分為三組，其中兩組為酸性環(huán)境pH為5、pH為3的稀硫酸溶液，另一組為pH=7中性環(huán)境去離子水作為對(duì)照，每組4個(gè)樣品，分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)環(huán)境下的20次干濕循環(huán)。具體設(shè)計(jì)為：首先將砂巖試樣放入烘箱以105 ℃烘干24 h后，將其取出放入干燥皿冷卻至室溫，采用自由浸水法吸水48 h，之后將浸泡裝置放于真空飽水機(jī)以負(fù)壓持續(xù)抽真空4 h，保證試樣內(nèi)空氣完全被排出，完成飽和，此即為一次干濕循環(huán)過(guò)程；期間進(jìn)行烘干質(zhì)量、飽和吸水率、孔隙率等指標(biāo)的測(cè)算。

2" 試驗(yàn)結(jié)果

2.1" 飽和吸水率變化

巖石吸水率是巖石本身重要的水理性質(zhì)，反映出巖石孔隙數(shù)量和大小、巖石是否容易潮濕和從孔隙中排除空氣等情況，吸水率越大，巖石表面越松軟，其工程性質(zhì)越差。飽和吸水試驗(yàn)在干濕循環(huán)作用過(guò)程中完成，通過(guò)式（1）換算得到砂巖飽和吸水率：

ωsat=msat-msms×100%（1）

式中：ωsat為飽和吸水率，msat為試樣飽水質(zhì)量（g），ms為飽水試樣烘干24 h后的質(zhì)量（g）。

每組砂巖試樣在干濕循環(huán)作用過(guò)程中，均存在砂巖顆粒掉落現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)了不同環(huán)境干濕循環(huán)作用下每組飽和吸水率變化，每組均取平均值，結(jié)果如表1所示。

假設(shè)在干濕循環(huán)次數(shù)有限（N≤20）條件下，飽和吸水率ωsat與干濕循環(huán)次數(shù)N具有連續(xù)的函數(shù)關(guān)系，則對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出圖1，反映出飽和吸水率ωsat隨干濕循環(huán)次數(shù)N的變化規(guī)律。擬合表達(dá)式及相關(guān)系數(shù)R2在表2列出。

從表1可知，無(wú)論是pH為5或3的酸性環(huán)境還是pH為7的中性環(huán)境，砂巖飽和吸水率總體上均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而升高。首次干濕循環(huán)后pH=3組與pH=5組的飽和吸水率相近，均在4%左右，而pH=7組的為3.81%，低于酸性環(huán)境飽和吸水率約5%。三條曲線走勢(shì)均為由陡變緩，表明飽和吸水率的增加主要發(fā)生在干濕循環(huán)前期，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，飽和吸水率增加速率逐漸減少，每次循環(huán)后增加量也逐漸減少。在15次循環(huán)后三種pH下砂巖飽和吸水率幾乎穩(wěn)定，但經(jīng)歷20次干濕循環(huán)后pH=3組飽和吸水率達(dá)到5.77%，較pH=5組飽和吸水率5.64%略高，明顯高于pH=7組的4.76%，表明酸性環(huán)境對(duì)砂巖飽和吸水率的增加有明顯的促進(jìn)作用。采用負(fù)指數(shù)函數(shù)模型擬合數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)較高，砂巖飽和吸水率與干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律符合負(fù)指數(shù)函數(shù)模型。

巖土工程與地下工程滕強(qiáng)： 巴中地區(qū)砂巖水巖作用飽水特性及孔隙率變化研究

2.2" 孔隙率變化

基于飽和吸水試驗(yàn)得出的烘干質(zhì)量ms及飽水質(zhì)量msat，根據(jù)式（2）計(jì)算出飽水狀態(tài)下水的體積VW，即代表砂巖試樣孔隙體積，再由式（3）計(jì)算出孔隙率n，得出孔隙率結(jié)果如表3所示。再由表3數(shù)據(jù)繪制孔隙率n隨干濕循環(huán)次數(shù)N的變化圖像（圖2），并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合表達(dá)式及相關(guān)系數(shù)R2在表4列出。

VW=msat-msρw（2）

n=VWπr2·h×100%（3）

式中：VW為飽水狀態(tài)下水的體積（cm3），ρw為水的密度（1 g/cm3），n為孔隙率，r為試樣地面半徑（2.5 cm），h為試樣高度（10 cm）。

由表3及圖2可知，砂巖孔隙率無(wú)論在pH為5或3的酸性環(huán)境下還是pH為7的中性環(huán)境下，總體上均隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加而增加。三組首次循環(huán)后孔隙率差別不大，但經(jīng)歷20次循環(huán)后增加量各有差異，pH=7組孔隙率由8.74%增至11.33%，孔隙率僅增大了2.59%，在三組中增加量最?。籶H=5組孔隙率由9.15%增至13.41%，增加量為4.26%，超過(guò)pH=7組增加量的64%；而pH=3由9.02%增至13.69%，增加量最多，為4.67%，比pH=7組高出80%，比pH=5組高出9.6%，表明酸性環(huán)境促進(jìn)了干濕循環(huán)作用下孔隙率的增加，且酸性越強(qiáng)，pH值越小對(duì)孔隙率變化的影響越大。曲線走勢(shì)上，三條曲線在上升過(guò)程中由陡變緩，表明孔隙率增加速率逐漸減小，干濕循環(huán)前期孔隙率增加量較大，后期孔隙率變化較小，孔隙率變化主要集中于前10次循環(huán)?？紫堵孰S干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律符合負(fù)指數(shù)函數(shù)模型，擬合相關(guān)系數(shù)較高。

結(jié)合烘干質(zhì)量、飽和吸水率與孔隙率的變化規(guī)律，可以看出三者之間存在一定關(guān)聯(lián)性。在干濕循環(huán)作用與酸性環(huán)境下，砂巖發(fā)生一系列水巖物理化學(xué)作用，使烘干質(zhì)量逐漸產(chǎn)生變化，同時(shí)這些水巖作用對(duì)砂巖內(nèi)外孔隙產(chǎn)生影響，使孔隙率逐漸增大，而孔隙率的增加又使砂巖在飽水過(guò)程中水溶液更容易浸入孔隙之間，更容易填充砂巖內(nèi)部孔隙，從而促進(jìn)了飽和吸水率的增加。酸性越強(qiáng)，這些水巖作用更強(qiáng)烈，相對(duì)于中性環(huán)境，孔隙率、飽和吸水率受酸性環(huán)境的影響程度也約大。因此觀察干濕循環(huán)作用前后的砂巖孔隙裂隙差異是必要的

3" 結(jié)果分析

采用掃描電子顯微鏡對(duì)試驗(yàn)前后的砂巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，具體為通過(guò)試驗(yàn)前與pH=3、pH=5、pH=7各組干濕循環(huán)20次后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得出砂巖結(jié)構(gòu)的細(xì)觀變化。以試樣浸水表面為觀察面，儀器采用鎢燈絲掃描電子顯微鏡，得出各組500倍電鏡下SEM圖像，如圖3所示，反映了在pH=3、pH=5、pH=7水溶液環(huán)境下干濕循環(huán)20次后砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變。由圖3可知無(wú)論是酸性環(huán)境還是中性環(huán)境，砂巖表面的顆粒的大小、孔隙裂隙的分布，在20次干濕循環(huán)作用后均發(fā)生了較為明顯的形態(tài)改變。

（1）試驗(yàn)前未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用下，砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較好的均勻性和致密性。顆粒表面絕對(duì)大多數(shù)呈現(xiàn)扁平狀，孔隙很少，見圖3（a）。輪廓比較清晰，形貌差別不大，分布較為均勻，顆粒之間排列較為整齊與緊密，不存在較大孔隙。因此，初始狀態(tài)下孔隙率和飽和吸水率呈現(xiàn)最低。

（2）pH=7環(huán)境下20次干濕循環(huán)后：砂巖表面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為明顯的形貌改變，由初始狀態(tài)下的扁平狀演變?yōu)槠瑺钚蚊?，并且出現(xiàn)大小不一的孔隙，較大孔隙明顯增加，逐漸出現(xiàn)微裂紋，此時(shí)顆粒之間雖仍較為緊密，但相對(duì)于初始狀態(tài)不在呈現(xiàn)較好的均勻性，見圖3（b）。

（3）pH=5環(huán)境下20次干濕循環(huán)后：砂巖表面不在呈現(xiàn)均勻性，孔隙之間已經(jīng)連通，形成多孔疏松的孔隙帶，微裂紋開始連通擴(kuò)張，形成較長(zhǎng)的裂隙，顆粒形態(tài)多樣包括散狀與片狀，分布較為散亂，見圖3（c）。

（4）pH=3環(huán)境下20次干濕循環(huán)后：砂巖表明不在呈現(xiàn)均勻性，隨酸性提高，孔隙帶較pH=5環(huán)境下更加疏松，孔隙比例明顯升高，微裂隙較長(zhǎng)，見圖3（d）。pH=7環(huán)境下與pH=5或pH=3酸性環(huán)境下干濕循環(huán)作用之后，砂巖細(xì)觀表面形貌呈現(xiàn)有一定的差距。

4" 結(jié)論

（1）巴中地區(qū)砂巖在干濕循環(huán)作用下飽和吸水率及孔隙率逐漸增加，符合負(fù)指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，增加速率逐漸減小，在干濕循環(huán)前期飽和吸水率及孔隙率均增加較多，且酸性環(huán)境越強(qiáng)，在干濕循環(huán)作用下飽和吸水率增及孔隙率增加量越大。

（2）SEM微觀圖像表明巴中地區(qū)砂巖在不同環(huán)境干濕循環(huán)作用下發(fā)生了微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)方面的改變，未經(jīng)干濕循環(huán)作用下呈扁平狀形態(tài)、少孔隙，20次干濕循環(huán)作用后中性環(huán)境形孔隙增多，酸性環(huán)境下還出現(xiàn)大量微裂紋，孔隙逐漸連通。

（3）試驗(yàn)結(jié)果有助于進(jìn)一步了解巴中地區(qū)南龕石窟砂巖在溫度、水巖作用、生物作用等不同因素下的劣化機(jī)理，分析不同因素間作用規(guī)律， 為有針對(duì)性地對(duì)南龕石窟采取保護(hù)手段提供一定的基礎(chǔ)性資料。

參考文獻(xiàn)

［1］" Hutchinson A J， Johnson J B. Stone degradation due to wet deposition of pollutants［J］. Corrosion science， 1993（34）： 1881-1898.

［2］" Stück H L， Platz T， Müller A， et al. Natural stones of the Saale-Unstrut Region （Germany）： petrography and weathering phenomena［J］. Environmental Earth Sciences， 2018， 77（8）.

［3］" 巫錫勇，廖昕，趙思遠(yuǎn)，等. 黑色頁(yè)巖水巖化學(xué)作用實(shí)驗(yàn)研究［J］. 地球?qū)W報(bào)， 2014， 35（05）： 573-581.

［4］" 劉新榮，傅晏，鄭穎人，等. 水巖相互作用對(duì)巖石劣化的影響研究［J］. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2012， 8（1）： 77-82， 88.

［5］" 張梁. 酸性環(huán)境干濕交替作用下泥質(zhì)砂巖宏細(xì)觀損傷特性研究［D］. 重慶：重慶大學(xué)，2014.

［6］" 張景科，劉盾，馬雨君，等. 弱膠結(jié)砂巖水巖作用機(jī)制：以慶陽(yáng)北石窟為例［J］. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022， 43（7）： 15.