克孜爾石窟砂巖PS加固抗凍融試驗

，，， ，

(中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢 430074)

克孜爾石窟砂巖PS加固抗凍融試驗

王磊，嚴紹軍，陳嘉琦，竇彥，葉夢杰

(中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢 430074)

室內試驗循環(huán)凍融條件下，對克孜爾石窟的砂巖加入不同質量百分比和不同濃度的PS(Potassium Silicate,硅酸鉀)溶液進行加固，測量凍融后砂巖試樣的質量、體積、波速以及抗壓強度，得出PS溶液的較優(yōu)加固濃度以及質量百分比。結果表明：質量百分比為25%的PS溶液加固效果最好。其原因是質量百分比過低會導致砂巖黏聚力不夠;當百分比過高，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，其質量、體積、波速和抗壓強度損失率最小，濃度越高,加固效果越強。

克孜爾石窟砂巖;PS溶液濃度；質量百分比；循環(huán)凍融；抗壓強度

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，克孜爾石窟產生了巖體開裂、失穩(wěn)、風化、崩塌、滲水以及鹽堿等多種病害，其中風化是克孜爾石窟目前面臨的最為嚴重的問題之一。石窟所處的新疆地區(qū)晝夜溫差大，最大可達到39 ℃，石窟巖體承受的凍融循環(huán)引起的物理風化對石窟巖體穩(wěn)定性、文物的完整性產生的不利影響非常嚴重，因此，利用室內試驗研究循環(huán)凍融條件下PS溶液(特定模數(shù)硅酸鉀溶液,廣泛應用于土遺跡保護加固工程)加固克孜爾石窟砂巖的機理，對石窟巖體穩(wěn)定性評價和保護具有重要的意義。

近年來，國內外對巖石在凍融循環(huán)作用下的破壞機理、破壞規(guī)律等進行了大量的試驗研究。如張慧梅、楊更社[1]通過凍融巖石損傷劣化及力學特性試驗研究對砂巖和頁巖進行開放飽水狀態(tài)下的凍融循環(huán)試驗,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行比較。項偉、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特性試驗研究,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、破壞準則及強度指標變化規(guī)律。趙海英等[3]通過20 d的試驗研究和現(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材料加固土的強度普遍提高,加固土強度隨濃度的增加而遞增。方云等[4]通過對云岡石窟砂巖進行循環(huán)凍融試驗，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特性。常丹等[5]對不同凍融循環(huán)次數(shù)、凍結溫度、圍壓下的粉砂進行常規(guī)靜三軸剪切試驗,研究凍融循環(huán)后土體的應力-應變關系曲線、靜強度、彈性模量、抗剪強度參數(shù)的變化規(guī)律。Nicholson等[6]對10種含有原生裂隙的沉積巖進行凍融循環(huán)試驗，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進行在不同含水率下的凍融破壞試驗，研究了含水率與未凍水含量對巖石凍融損傷強度的影響規(guī)律。而上述試驗均未對PS溶液在不同濃度且不同PS質量百分比的情況下作過研究。

本文對不同濃度和不同質量百分比的PS溶液加固后的克孜爾石窟砂巖進行凍融循環(huán)(16 h，即冷凍8 h，溶解8 h)試驗研究。通過分析凍融前后巖樣在質量、體積、波速及強度等指標的變化規(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提供了一定的參考依據(jù)。

2 試樣制作和試驗方案

2.1 巖 樣

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

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

2.2 試驗步驟和方法

(1) 將所有巖樣在室溫下測量質量、體積、超聲波波速。

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

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

(4) 單軸壓縮試驗在中國地質大學(武漢)土工實驗室TSY30-2型臺式三軸壓縮儀上進行，試驗采用軸向位移速率控制，位移速率為0.4 mm/min。

3 試驗結果與分析

3.1 質量變化

巖樣凍融循環(huán)后的質量損失率如圖2所示。

圖2 巖樣質量損失率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)凍融結束后質量都有損失。對于3種不同濃度下的PS溶液，在質量百分比為15%～25%之間其質量損失率逐漸減小，而質量百分比為25%～35%的情況下質量損失率逐漸增大，說明PS質量百分比在25%左右時，加固狀態(tài)最好，巖樣的強度較好，抗凍融能力較強。PS濃度為15%，質量百分比為25%時，其質量損失率最小，抗凍融能力最強。而濃度為20%時，其質量損失率大于濃度為15%的巖樣，這是因為濃度高的PS溶液在凝固過程中揮發(fā)嚴重，從而導致質量損失率過大。當質量百分比達到35%時，3種濃度的質量損失率基本相同，說明質量百分比過高時，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) 由于所用巖樣為強風化的砂巖重塑樣，其強度低，黏結力低，大部分在凍融前3次的時候，體積損失量很大。

課堂教學是一個師生交互共同成長的過程。教師一方面可為學生提供必要的資源；另一方面可以開發(fā)和利用來自學生的資源，并以此作為“撬動學生創(chuàng)新思維的支點”，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溶液質量百分比為20%和30%時，體積損失率大于質量百分比為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PS溶液質量百分比為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。此時膠結狀態(tài)最好，顆粒之間有一部分直接接觸，其余由膠結物連接，此時摩擦力最大，黏聚力強。

3.3 超聲波速變化

本次試驗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。主要是因為凍融試驗導致了巖樣裂隙的增多，結構松散。

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，未經凍融循環(huán)時,在相同濃度時，當PS質量百分比為25%時，其波速最大，說明此巖樣孔隙變少，完整性更好，結構更加緊密，強度更大。

從圖4可得出，當PS質量百分比為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度用20%濃度PS溶液效果最佳。

3.4 抗壓強度變化

本試驗主要是對比研究凍融作用后巖樣無側限單軸抗壓強度。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度試驗，其結果與凍融循環(huán)后相比較，結果見表3。

表3 凍融前后抗壓強度Table 3 Compressive strength before and after freezing and thawing

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

表4 凍融循環(huán)結束后試樣無側限單軸抗壓強度統(tǒng)計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，巖樣的力學強度損失率來看最小，說明抗凍融能力最強，與波速測試結果相一致;而從抗壓強度方面來看，濃度為20%時，巖體抗壓強度最高，為1 346.10 kPa。

4 結 論

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

(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PS質量百分比為25%的情況，其波速最大，抗凍融能力最強。當PS濃度為15%且質量百分比為25%時，其波速損失率最小，是23.13%，抗凍融能力最強。

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

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

[2] 項 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特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報,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].巖石力學與工程學報,2006,25(3):557-562.

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

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

[6] NICHOLSON D T,NICHOLSON F H.Physical Deterioration of Sedimentary Rocks Subjected to Experimental Freeze-Thaw Weathering[J].Earth Surface Processes and Landforms,2000,25(12): 1295-1307.

[7] CHEN T C,YEUNG M R,MORI N.Effect of Water Saturation on Deterioration of Welded Tuff due to Freeze-Thaw Action[J].Cold Regions Science and Technology,2004,38(2/3): 127-136.

[8] 嚴紹軍，譚松娥，劉俊紅,等．酸對云岡石窟砂巖的劣化作用試驗研究[J]．長江科學院院報，2013，30(9):64-68.

[9] 王思敬，王彥兵，邵明申，等．PS溶液滲透對非飽和土的增強效應研究[J].工程地質學報，2011，19(2):219-224.

[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]．中南大學學報(自然科學版)，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

國家自然科學基金項目(107KH136514)

王 磊(1993-)，男,湖北荊州人，碩士研究生，研究方向為文物保護,(電話)13517274640(電子信箱)763444176@qq.com。

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

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