克孜尔石窟砂岩PS加固抗冻融试验

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(中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074)

克孜尔石窟砂岩PS加固抗冻融试验

王磊，严绍军，陈嘉琦，窦彦，叶梦杰

(中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074)

室内试验循环冻融条件下，对克孜尔石窟的砂岩加入不同质量百分比和不同浓度的PS(Potassium Silicate,硅酸钾)溶液进行加固，测量冻融后砂岩试样的质量、体积、波速以及抗压强度，得出PS溶液的较优加固浓度以及质量百分比。结果表明：质量百分比为25%的PS溶液加固效果最好。其原因是质量百分比过低会导致砂岩黏聚力不够;当百分比过高，颗粒之间将不能直接接触，摩擦力降低，黏聚力较差。PS溶液浓度为20%时，其质量、体积、波速和抗压强度损失率最小，浓度越高,加固效果越强。

克孜尔石窟砂岩;PS溶液浓度；质量百分比；循环冻融；抗压强度

1 研究背景

克孜尔石窟位于新疆拜城县克孜尔乡东南7 km的木扎提河(渭干河)北岸河流阶地陡崖之上，开凿于东汉末期，整个石窟含有洞窟236个，洞窟内壁画精美，是丝绸之路上一颗璀璨的明珠。一千多年以来，在自然界各种营力的作用下，克孜尔石窟产生了岩体开裂、失稳、风化、崩塌、渗水以及盐碱等多种病害，其中风化是克孜尔石窟目前面临的最为严重的问题之一。石窟所处的新疆地区昼夜温差大，最大可达到39 ℃，石窟岩体承受的冻融循环引起的物理风化对石窟岩体稳定性、文物的完整性产生的不利影响非常严重，因此，利用室内试验研究循环冻融条件下PS溶液(特定模数硅酸钾溶液,广泛应用于土遗迹保护加固工程)加固克孜尔石窟砂岩的机理，对石窟岩体稳定性评价和保护具有重要的意义。

近年来，国内外对岩石在冻融循环作用下的破坏机理、破坏规律等进行了大量的试验研究。如张慧梅、杨更社[1]通过冻融岩石损伤劣化及力学特性试验研究对砂岩和页岩进行开放饱水状态下的冻融循环试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程，并对2种岩石冻融损伤的同一性和差异性进行比较。项伟、刘珣[2]通过冻融循环条件下岩石-喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究,揭示研究对象在不同含水状态(干燥或饱和)、不同冻融循环次数条件下的损伤模式、破坏准则及强度指标变化规律。赵海英等[3]通过20 d的试验研究和现场加固表明，PS(Potassium Silicate,硅酸钾)材料模数、浓度对加固效果的影响比较显著，PS材料加固土的强度普遍提高,加固土强度随浓度的增加而递增。方云等[4]通过对云冈石窟砂岩进行循环冻融试验，分析归纳出冻融循环条件下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。常丹等[5]对不同冻融循环次数、冻结温度、围压下的粉砂进行常规静三轴剪切试验,研究冻融循环后土体的应力-应变关系曲线、静强度、弹性模量、抗剪强度参数的变化规律。Nicholson等[6]对10种含有原生裂隙的沉积岩进行冻融循环试验，研究了原生裂隙对岩石冻融破坏的影响，并提出4种冻融破坏模式。Chen等[7]通过对日本札幌的凝灰岩进行在不同含水率下的冻融破坏试验，研究了含水率与未冻水含量对岩石冻融损伤强度的影响规律。而上述试验均未对PS溶液在不同浓度且不同PS质量百分比的情况下作过研究。

本文对不同浓度和不同质量百分比的PS溶液加固后的克孜尔石窟砂岩进行冻融循环(16 h，即冷冻8 h，溶解8 h)试验研究。通过分析冻融前后岩样在质量、体积、波速及强度等指标的变化规律，得出了PS的最优加固浓度及饱和度，为同类石窟加固保护提供了一定的参考依据。

2 试样制作和试验方案

2.1 岩 样

表1 试验试样所采用PS溶液参数Table 1 Parameters of potassium silicate solution for test samples

图1 砂岩扫描电镜试验照片Fig.1 Image of scanning electron microscope of sandstone

2.2 试验步骤和方法

(1) 将所有岩样在室温下测量质量、体积、超声波波速。

(2) 对15种岩样进行循环冻融，将岩样在(-20±0.5) ℃冻结，冻结8 h后，再在(40±0.5) ℃下进行溶解8 h，为一次冻融试验。依次进行7次冻融试验，每次冻融试验结束后，将岩样冷却到室温，再测量各岩样的质量和几何尺寸。

(3) 利用RSM-SY5声波检测仪和平面换能器(频率100 kHz)，进行超声波波速测试。

(4) 单轴压缩试验在中国地质大学(武汉)土工实验室TSY30-2型台式三轴压缩仪上进行，试验采用轴向位移速率控制，位移速率为0.4 mm/min。

3 试验结果与分析

3.1 质量变化

岩样冻融循环后的质量损失率如图2所示。

图2 岩样质量损失率Fig.2 Rate of mass loss of rock sample

图3 岩样体积损失率Fig.3 Volume change rate of samples

由图2可知，15组岩样在循环冻融结束后质量都有损失。对于3种不同浓度下的PS溶液，在质量百分比为15%～25%之间其质量损失率逐渐减小，而质量百分比为25%～35%的情况下质量损失率逐渐增大，说明PS质量百分比在25%左右时，加固状态最好，岩样的强度较好，抗冻融能力较强。PS浓度为15%，质量百分比为25%时，其质量损失率最小，抗冻融能力最强。而浓度为20%时，其质量损失率大于浓度为15%的岩样，这是因为浓度高的PS溶液在凝固过程中挥发严重，从而导致质量损失率过大。当质量百分比达到35%时，3种浓度的质量损失率基本相同，说明质量百分比过高时，浓度的影响将降低。

3.2 体积变化

图3为岩样历经7次冻融循环后的体积损失率。根据测量岩样的几何尺寸，得到岩样冻融前后的体积变化(见表2)。

表2 岩样冻融循环前后体积变化量Table 2 Volume changes of samples before and after freezing and thawing cycles

由图3、表2可知：

(1) 由于所用岩样为强风化的砂岩重塑样，其强度低，黏结力低，大部分在冻融前3次的时候，体积损失量很大。

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(2) 从图3中得知，在3种不同浓度下，均出现了PS溶液质量百分比为20%和30%时，体积损失率大于质量百分比为15%,25%,35%的情况，成M形规律，说明在这2种饱和度下，其岩体加固效果会降低。

(3) 在相同浓度情况下，当PS溶液质量百分比为25%时，其体积损失率均为最小，说明此时加固剂有效利用率最高，加固效果最好，抗冻融循环能力最强。此时胶结状态最好，颗粒之间有一部分直接接触，其余由胶结物连接，此时摩擦力最大，黏聚力强。

3.3 超声波速变化

本次试验研究了不同浓度和不同饱和度下的重塑岩样的波速变化曲线。超声检测可评价岩体的完整程度，从而评定岩石工程的稳定性。由图4可知，随着冻融循环次数增多，岩样的波速均下降。主要是因为冻融试验导致了岩样裂隙的增多，结构松散。

图4 不同PS浓度下加固后的波速变化曲线Fig.4 Curves of wave velocity variation of rock reinforced with potassium silicate solution of different concentrations

从图4可看出，未经冻融循环时,在相同浓度时，当PS质量百分比为25%时，其波速最大，说明此岩样孔隙变少，完整性更好，结构更加紧密，强度更大。

从图4可得出，当PS质量百分比为25%时，PS浓度10%的岩样波速为650 m/s，浓度15%的岩样波速为1 120 m/s，而浓度20%的岩样波速为1 450 m/s。通过对比分析，从抗冻融能力方面来说，用PS浓度为20%溶液加固后，岩样波速最大，说明提高克孜尔石窟砂岩密实度用20%浓度PS溶液效果最佳。

3.4 抗压强度变化

本试验主要是对比研究冻融作用后岩样无侧限单轴抗压强度。为了充分比较，将NO-3,NO-8,NO-13这几个样在冻融前做了单轴抗压强度试验，其结果与冻融循环后相比较，结果见表3。

表3 冻融前后抗压强度Table 3 Compressive strength before and after freezing and thawing

通过表4可以看出：PS质量百分比为25%的试样无侧限抗压强度较其他试样要大，说明PS质量百分比为25%的试样抗冻融能力较强，而且这与波速测试结果一致。此外，从纵向比较发现浓度高的PS溶液加固砂岩，其力学强度较高。

表4 冻融循环结束后试样无侧限单轴抗压强度统计Table 4 Statistics of unconfined uniaxial compressive strength of samples after freeze-thaw cycles

从表4中得出：单从抗冻融能力方面，PS浓度为15%时，岩样的力学强度损失率来看最小，说明抗冻融能力最强，与波速测试结果相一致;而从抗压强度方面来看，浓度为20%时，岩体抗压强度最高，为1 346.10 kPa。

4 结 论

(1) 在经过冻融循环后，所有岩样的质量均有不同程度的下降，而在PS质量百分比为25%时，质量损失率最小。PS浓度为10%时，质量损失率为10.7%～27.8%，浓度为15%时，质量损失率为9.4%～20.5%，浓度为20%时，其质量损失率为18.2%～21%，这说明PS浓度不是影响质量变化的主要因素。

(2) 多次冻融循环过程中，岩样体积损失率很大，特别是前几次冻融。3种浓度下，PS质量百分比为25%时，其体积损失率均最小。这可以最大限度地控制文物的二次破坏。

(3) 每次冻融结束后测试岩样波速，发现重塑样的波速随着冻融循环次数的增加而减少。当PS质量百分比为25%的情况，其波速最大，抗冻融能力最强。当PS浓度为15%且质量百分比为25%时，其波速损失率最小，是23.13%，抗冻融能力最强。

(4) 在冻融循环后的单轴抗压强度测试中，发现岩样的无侧限单轴抗压强度随着PS浓度的增加而不断增大。当PS质量百分比为25%时，浓度为15%的情况，强度损失率仅为5.35%，抗冻融能力最强,而浓度为20%时，其抗压强度最大。

[1] 张慧梅,杨更社.冻融岩石损伤劣化及力学特性试验研究[J].煤炭学报,2013,38(10):1756-1762.

[2] 项 伟,刘 珣.冻融循环条件下岩石-喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(12):2510-2521.

[3] 赵海英,王旭东,李最雄,等.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.

[4] 方 云,乔 梁,陈 星,等.云冈石窟砂岩循环冻融试验研究[J].岩土力学,2014,35(9):2433-2442.

[5] 常 丹,刘建坤,李 旭,等.冻融循环对青藏粉砂土力学性质影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报,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.

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[9] 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，2011，19(2):219-224.

[10] 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)，2011，42(5):1432-1436.

(编辑：赵卫兵)

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

国家自然科学基金项目(107KH136514)

王 磊(1993-)，男,湖北荆州人，硕士研究生，研究方向为文物保护,(电话)13517274640(电子信箱)763444176@qq.com。

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。

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