PS对克孜尔砂岩的加固效果研究

严绍军,叶梦杰,陈鸿亮,皮 雷,李 伟

（中国地质大学（武汉）工程学院,武汉 430074）

PS对克孜尔砂岩的加固效果研究

严绍军,叶梦杰,陈鸿亮,皮 雷,李 伟

（中国地质大学（武汉）工程学院,武汉 430074）

克孜尔石窟位于新疆库车县,是藏传佛教传入中原的中间地带。石窟主要开凿在绝壁砂岩上,由于长时间的风吹日晒,加上位于活动的地震带上,近年来石窟多处坍塌,常有坠石从高处坠落,影响文物的价值并对游客的人身安全造成一定的影响。为了探究PS溶液对克孜尔砂岩的加固机理,首先对砂岩进行了XRD矿物分析,然后设计了不同浓度的PS溶液分别加固砂岩。通过测量不同浓度加固过程中质量、体积和波速的变化过程,并对比前后砂岩微观结构变化来研究PS对克孜尔石窟砂岩的加固机理及规律。结果表明：PS对克孜尔砂岩加固作用效果明显,其中浓度为20%的PS溶液加固效果最好；随着PS溶液逐渐凝固,波速升高；PS在砂岩颗粒与颗粒之间起着胶结作用,增强了砂岩的抗压强度。

砂岩；克孜尔石窟；PS溶液；加固；力学强度；波速

2015,32（12）：55－59

1 研究背景

我国是一个文物大国,相当一部分文物濒临破坏,亟待加固修复,尤其是土遗址文物的加固、文物赋存环境的改善、壁画塑像的修复等工程是文物保护的重中之重。本文研究的克孜尔千佛洞位于库车和拜城县之间的克孜尔乡东南7 km的木扎提河（渭干河）北岸河流阶地陡崖之上。石窟约开凿始于公元3至公元4世纪,即东汉末期,保存壁画面积近1万m2。

在我国西北部分布很多开凿在泥岩上的洞窟,大多数洞窟的围岩处于半胶结状态,强度极低,裂隙发育明显。加上频发的地震,使得这些文化瑰宝处于濒临消失的境地。目前国内外许多学者对石质文物加固做了许多研究。文物保护加固工程的发展过程中发明研制出了很多加固材料。由于文物的特殊性,对这些加固材料的要求也非常高。苏伯民等[1］利用SEM初步揭示了PS加固遗址土的机理。邵明申[2］讨论了环境因素对加固前后遗址土的影响。

和法国[3］通过对PS加固前后的2种试样进行力学强度测试和抗风蚀能力测试,得到了PS对原状土加固效果明显的结论。李最雄[4］对PS加固非饱和遗址土后的渗透特性进行了研究。张得煊等[5］对新疆交河城经PS材料土样进行热传导性能的试验研究,结果表明经PS加固的土样的热传导率有减小的趋势,浓度越大,热传导率越小。严绍军等[6］对样品进行实时变形监测,并对循环过程中质量衰减、强度变化、孔隙分布等进行测试与分析。

由于西北部干旱地区的砂岩石窟受风沙的侵蚀和冻融作用较明显,石窟裂隙强烈发育,如图1中107＃洞窟,就是受到裂隙切割形成危岩体。由构造裂隙、卸荷裂隙、层理面交切而成的危岩体也随着裂隙的发育而形成,危岩体的稳定性直接关系到石窟的稳定性。而PS材料可以改变砂岩抗风化能力弱的现状,增强砂岩的凝聚力,起到加固岩体的作用。

图1 克孜尔107＃洞窟上部的危岩体Fig.1 Perilous rock mass on 107th grotto at Kizil

2 试验方法

为了研究不同浓度的PS溶液对克孜尔石窟砂岩的加固机理,本次试验采用以下4种浓度（10.0%,13.3%,16.6%,20.0%）的PS溶液对岩样进行加固试验（见表1）。试验采用重塑制圆柱样,待试样制作成功,测量试样的直径、高度、质量变化曲线直到数据完全趋于稳定；烘干,烘箱温度设定为50℃,测波速,连续10个循环；最后对试样进行电镜扫描试验[7－9］。

表1 岩样编号及对应的PS浓度Table 1 Rock sample numbers and corresponding concentrations of PS solutions

2.1 试验试件

由于克孜尔砂岩多孔隙,遇水即松散、结构丧失,所以本次试验采用的是重塑样,即将岩样打散,加水后重塑成规则的标准高度为80 mm,直径为40 mm的圆柱样[10－12］。砂岩样的主要成分为石英,少量长石与云母片,结构疏松,饱水后自动破坏。分选较好,细粒结构,磨圆差,砂岩中发育大型的交错层理。

2.2 砂岩的物理参数

由于砂岩遇水即松散,本试验采用蜡封法测砂岩的天然密度；含水率采用烘箱烘干的办法测出。物理参数见表2。

表2 岩样的物理参数Table 2 Physical parameters of rock sample

2.3 砂岩试样的XRD矿物分析

为了分析克孜尔砂岩的化学成分以及矿物组成,故对新鲜砂岩样进行了化学成分分析和XRD矿物分析试验。本次试验是在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产分析国家重点实验室完成的。试验结果见表3,表4。

从XRD及化学测试结果可以看出：

（1）砂岩中,颗粒物质的主要成分为石英和长石,其中石英的含量为18%～42%,平均为29.2%,除R1样品外,其余均在25%以上；长石的含量稍少,10%～17%,平均为12.7%。

（2）胶结物质主要以泥质和碳酸盐胶结为主,黏土矿物类型主要为绿泥石和伊利石,其膨胀性一般,黏土矿物的含量为5%～18%,平均为11.7%。

表4 XRD半定量分析结果Table 4 Results of XRD test %

（3）砂岩中碳酸盐含量很高,主要以方解石为主,少量白云石,碳酸盐矿物的含量为37%～54%,平均为44.2%,碳酸盐主要以2种形式存在于砂岩中：颗粒状粒间充填和覆盖于颗粒状的长石与石英表面。但对岩石强度的贡献很少,这对克孜尔石窟洞窟风化有很大的影响。

3 试验结果分析

3.1 砂岩物理性能试验

本试验主要是研究用PS加固后的砂岩重塑样的变形和质量变化情况（图2）。由于新疆库车县处于南疆,干旱、多地震,风化程度严重,所以研究试样的质量变化、试样的体积变化对后期进行PS施工加固砂岩有指导意义。

图2 质量变化曲线Fig.2 Curves of quality changes

从图2可以看出在后期的养护期间,用浓度为10%的PS溶液加固处理的砂岩质量损失率最大,质量从1 820 g减少到161.5 g,质量损失率约为11.3%；用浓度为16.6%的PS溶液加固处理的砂岩质量损失率最小,为5.9%；用浓度为20%的PS溶液加固处理的砂岩质量损失率为7.9%。这是因为浓度高的PS在凝固过程中挥发严重,导致质量损失率要比浓度为16.6%的大。

从图3、图4可以看出,用20%浓度的PS溶液加固处理的砂岩体积收缩率最小为4.2%。

表3 样品化学成分测试结果Table 3 Test results of chemical compositions of rock samples

图3 直径变化曲线Fig.3 Curves of diameter changes

图4 高度变化曲线Fig.4 Curves of height changes

3.2 砂岩微观结构分析

为分析PS对砂岩加固后微观结构的变化,故分别取未处理的新鲜岩样和用PS处理后的砂岩样送至中国地质大学（武汉）地质过程与矿产分析国家重点实验室进行电镜扫描试验。试验结果如图5。

由图5可看出加固后的岩样表层微观结构改变了,砂岩颗粒表面被一层胶体状物质所包裹,并将砂岩颗粒胶联在一起,形成胶结体[12－16］。颗粒间的空隙被PS胶体充填,结构变致密了,未发现裂隙。尤其是用浓度为20%的PS加固后,砂岩表层结构变得少空隙、少裂隙,颗粒之间充填较多粒状矿物,形成比较强的胶结作用。

3.3 砂岩样波速变化试验

本次试验研究了不同的PS浓度下砂岩的波速变化曲线,由图6可看出,随着PS溶液凝固,岩样的波速均上升。说明PS与岩样发生反应,改变了岩体原有的物质结构；使得砂岩的孔隙变少了,原先的松散颗粒被凝固后的PS胶结起来了,结构变致密了,从而使波速上升。

由图6可看出在20%的PS浓度下加固的砂岩波速增加得尤为明显,说明20%是增加砂岩强度的最适浓度。

4 结 论

（1）克孜尔砂岩中的孔隙是影响砂岩强度的主要因素。砂岩遇水极易松散,强度急剧降低,抗风化能力弱。

图5 用不同浓度的PS加固前后微观结构图Fig.5 Microscopic structure of rock before and after reinforcement with PS solution of different concentrations

图6 不同PS浓度下加固后的波速变化曲线Fig.6 Curves of wave velocity variation of rock reinforced with PS solutions under different concentrations

（2）砂岩的质量、体积变化反映了砂岩在PS加固后的质量损失率和体积收缩率变化。可以看出用浓度为20%的PS加固后的砂岩收缩率最小。这样有利于最大限度地减少对文物的二次破坏。

（3）岩样波速间接反映了砂岩的强度。可以看出一般用PS溶液加固处理的砂岩前期强度增加不明显,15 d后强度已经达到了极值。

（4）加固后岩样与新鲜岩样相比波速均增加,PS浓度与砂岩的波速呈现正相关关系；其中经过浓度为20%的PS溶液加固后的砂岩波速最高,PS里面的SiO2充填到砂岩颗粒之间,增大了砂岩的内聚力。

（5）对试验前后的岩样进行电镜扫描对比分析,看到大量的原先空隙被固体颗粒胶结,基本无收缩变形,确保灌浆的密实性。

[1]苏伯民,李最雄,胡之德.PS与土遗址作用机理的初步探讨[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加固对非饱和遗址土的渗透特性影响研究[D］.兰州：兰州大学,2010.（SHAO Ming-shen.Effect of PS Reinforcement on the Permeability Characteristics of Unsaturated Soil Relics[D］.Lanzhou：Lanzhou University,2010.（in Chinese））

[3]和法国.交河故城崖体裂隙灌浆加固研究[D］.兰州：兰州大学,2009.（HE Fa-guo.Grouting Reinforcement of Fissures in the Cliff of Jiaohe Ancient City[D］.Lanzhou：Lanzhou University,2009.（in Chinese））

[4]李最雄,邵明申,陈 锐.PS加固对非饱和遗址土的渗透特性影响研究[J］.岩土力学,2011,32（7）：2039－2044.（LI Zui-xiong,SHAO Ming-shen,CHEN Rui.Impact of PS on Permeability of Unsaturated Ruins Clay[J］.Rock and Soil Mechanics,2011,32（7）：2039－2044.（in Chinese））

[5]张得煊,王同瑞,王旭东,等.经PS材料加固后遗址土体热传导性能的试验研究[J］.岩石力学与工程学报,2011,30（1）：202－207.（ZHANG De-xuan,WANG Tong-rui,WANG Xu-dong,et al.Experimental Study of the Heat Conduction Properties of Earthen Ruins Soil Reinforced by Potassium Silicate Materials[J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30（1）：202－207.（in Chinese））

[6]严绍军,方 云,刘俊红.可溶盐对云冈石窟砂岩劣化试验及模型建立[J］.岩土力学,2013,34（12）：3410－ 3416.（YAN Shao-jun,FANG Yun,LIU Jun-hong.Deterioration Experiment with Soluble Salt on Sandstone of Yungang Grottoes and Its Model Creation[J］.Rock and Soil Mechanics,2013,34（12）：3410－3416.（in Chinese））

[7]张晓平,王思敬,李 黎,等.硅酸钾材料加固土遗址耐风蚀颗粒元模拟分析[J］.岩土力学,2012,33（11）：3465－3471.（ZHANG Xiao-ping,WANG Sijing,LI Li,et al.Particle Simulation on the Effect of Potassium Silicate Reinforcement of Ancient Earthen Site Soil to Reduce Wind Erosion[J］.Rock and Soil Mechanics,2012,33（11）：3465－3471.（in Chinese））

[8]李最雄,王旭东.榆林窟东崖的岩体裂隙灌浆及其效果的人工地震检测[J］.敦煌研究,1994,（2）：156－170.（LI Zui-xiong,WANG Xu-dong.Artificial Seismic Detection on the Effect of Rock Fracture Grouting in the East Cliff of Yulin Grotto[J］.Journal of Dunhuang Research,1994,（2）：156－170.（in Chinese））

[9]赵海英,李最雄,韩文峰,等.PS材料加固西北干旱区土遗址试验研究[J］.湖南科技大学学报（自然科学版）,2008,（1）：45－49.（ZHAO Hai-ying,LI Zuixiong,HAN Wen-feng,et al.Reinforcement of Earthen Ruins in Arid Area of Northwestern China by PS Materials[J］.Journal of Hunan University of Science and Technology（Natural Science）,2008,（1）：45－49.（in Chinese））

[10］严绍军,谭松娥,刘俊红,等.酸对云冈石窟砂岩的劣化作用实验研究[J］.长江科学院报,2013,30（9）：64－68（YAN Shao-jun,TAN Song-e,LIU Jun-hong,et al.Acid-induced Degradation of Sandstone in Yungang Grottoes[J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2013,30（9）：64－68.（in Chinese））

[11］王思敬,王彦兵,邵明申,等.PS溶液渗透对非饱和土的增强效应研究[J］.工程地质学报,2011,（2）：219－224.（WANG Si-jing,WANG Yan-bing,SHAO Mingshen,et al.Research on Unsaturated Soil Strengthening Effect of PS Filtration[J］.Journal of Engineering Geology,2011,（2）：219－224.（in Chinese））

[12］邵明申,李最雄.PS对非饱和重塑黏土的土－水特征曲线的影响[J］.中南大学学报（自然科学版）,2011,（5）：1432－1436.（SHAO Ming-shen,LI Zui-xiong.Effect of PS on Soil-water Characteristic Curve of Remolded Unsaturated Clay[J］.Journal of Central South University（Natural Science）,2011,（5）：1432－1436.（in Chinese））

[13］李 黎,陈 锐.经PS加固土遗址水饱和强度及加固效果的环境影响研究[J］.岩石力学与工程学报,2009,28（5）：1074－1080.（LI Li,CHEN Rui.Saturation Strength of Earthen Ruins Reinforced by PotassiumSilicate and Influence of Environmental Factors on Reinforcement Effect[J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28（5）：1074－1080.（in Chinese））

[14］郭青林,王旭东.砂砾岩石窟灌浆材料PS－F机制研究[J］.岩石力学与工程学报,2009,28（增2）：3330－3335.（GUO Qing-lin,WANG Xu-dong.Study on Mechanism of PS－F Grouting Material for Sandy Conglomerate Grottoes[J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28（Sup.2）：3330－3335.（in Chinese））

[15］赵海英,王旭东.PS材料模数、浓度对干旱区土建筑遗址加固效果的影响[J］.岩石力学与工程学报,2006,25（3）：557－562.（ZHAO Hai-ying,WANG Xu-dong. Impact of Modulus and Concentration of Potassium Silicate Material on Consolidating Earthen Architecture Sites in Arid Region[J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25（3）：557－562.（in Chinese））

[16］陈礼仪,王 胜.粉煤灰灌浆材料的研究与应用[J］.成都理工大学学报（自然科学版）,2007,34（2）：206－209.（CHEN Li-yi,WANG Sheng.Research and Application of Fly Ash Grouting Materials[J］.Journal of Chengdu University of Technology（Natural Science）,2007,34（2）：206－209.（in Chinese））

（编辑：王 慰）

长江科学院3个948项目顺利通过水利部验收

2015年11月8日至9日,水利部948项目集中验收会在武汉召开,会议由水利部国科司主办、水利部科技推广中心承办。水利部科技推广中心卢健处长主持会议,水利部国科司曾向辉处长到会并讲话,曾向辉说,目前中央财政科技计划体系改革正处于过渡期,在建设新科技计划体系的同时,也要做好以往科技计划体系各类项目的相关工作特别是到期验收工作,希望此次验收会能圆满完成预期目标。

长江科学院高度重视此次验收会,汪在芹副院长要求有关单位开展了全面、细致的准备工作。验收会上,长江科学院参加此次验收的“土壤侵蚀动力动态变化过程集成系统与技术”、“土石坝分布式光纤渗流热监测技术示范与推广”和“湖库生态环境监测系统Lake-watch引进”等3个项目均顺利通过验收并得到了良好评价。

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

国家自然科学基金项目（107KH136514）

严绍军（1973－）,男,四川绵竹人,副教授,主要从事不可移动岩土文物保护研究工作,（电话）027－67883507（电子信箱）shaojuncug＠qq.com。