罗汉堂周边及龙王庙沟洞窟裂隙灌浆材料试验研究

冯美生 叶倩华 张红珠 王成 周新宇

（1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.山西大同大学，山西 大同 037000；3.辽宁有色勘察研究院，辽宁 沈阳 110000）

云冈石窟开凿于大同武州山南麓、武州川北岸，现存大小窟龛254个、造像51000余尊，展现了典型的皇家造像风范和鲜明的民族特色，对我国石窟艺术的创新和发展有着重大贡献，具有其他早期石窟不可替代的科学、历史、艺术价值。云冈石窟于1961年被列为第一批全国重点文物保护单位，2001年被列入《世界遗产名录》。其中，罗汉堂周边及龙王庙沟洞窟位于云冈石窟群中部，属第5、6窟的附窟，共计28个洞窟，是云冈石窟北魏晚期石窟的典型代表，对龙门石窟以及后世石窟的开凿影响深远。但1500多年以来在地质构造和风化等综合因素的影响作用下，罗汉堂及其周边洞窟的岩体裂隙、层间裂隙和风化裂隙极度发育，裂隙的发育发展造成了岩体内力的重分布和应力集中，同时在渗漏水、大气、风、冻融等因素的综合作用下加速了破碎岩体的风化，并诱发岩体的深层风化而形成恶性循环，不利于文物本体的长期保存。因此，必须对罗汉堂及其周边洞窟内岩体裂隙进行治理，同时参考其他石窟治理的经验和成功案例，选择采用裂隙灌浆的方法进行裂隙治理。

国内外许多学者已经对裂隙灌浆材料在文物保护和岩土工程方面进行了大量的研究。孙兵等针对龙门石窟的裂隙病害，采用超细水泥、水性环氧树脂、纳米复合材料和聚氨酯这三种材料通过试验进行比较，综合选取最佳灌浆材料。张良帅等根据云冈石窟砂岩的劣化机理和保护原则，选出丙烯酸盐弹性凝胶（AMC-E）、正硅酸乙酯（Remmers300）、乙基硅酸盐（TOT）、纤维素酯类聚合物（ZB-WB-S）四种石质文物加固材料开展云冈石窟砂岩样品加固试验，结果表明了丙烯酸盐弹性凝胶材料能很好地渗透到文物中，具有优良的保护性能。赵林毅等基于对仰韶水泥的研究，通过室内研究在烧料礓石水硬石灰中添加不同比例偏高岭土和膨胀剂（AEA）后浆液的基本性能，初步筛选出了适宜砂岩石窟裂隙加固的灌浆材料及配比，认为烧料礓石水硬石灰、偏高岭土、石英砂的最佳质量比为1∶0.6∶0.4，对应的最佳水灰比为0.6。王捷等基于龙山石窟文物病害现状，以偏高岭土、硅粉及石灰石粉等为主要原料，制备出适宜于岩体裂隙灌浆的材料，并就灌浆实施效果进行应用检测，论证了研制材料的可行性。Minto等研究了巴氏孢子孢菌通过尿素水解沉淀的碳酸钙灌浆对细孔岩石裂隙的注浆效果。研究表明，在持续流动的条件下，微生物诱导的碳酸盐沉淀可以成功地对裂缝进行注浆，当需要高水平的水力密封时，它可能是水泥基注浆和化学注浆的可行替代方案。

基于前人的大量研究以及现有石窟已应用的治理方案，针对罗汉堂周边及龙王庙沟洞窟的裂隙病害治理，选择裂隙灌浆的方法，采用偏高岭土作为主料，并掺入少量的超细水泥，并使用碱激活剂，形成一种强度较低、抗渗性及耐久性良好、对文物本体无负面影响的复合灌浆材料。通过对其黏度（流动性）、收缩变形性、抗渗性及易溶盐含量等性能的对比分析，初步得出灌浆材料的优选配合比，再通过现场试验对优选配合比进行检测，得到灌浆材料的最佳配合比，并形成了一套灌浆工艺流程，为同类石窟的裂隙病害治理提供了有效的研究方法和解决途径。

1 裂隙灌浆材料选择

1.1 灌浆材料主料选择

偏高岭土（MK）是高岭土经高温脱水后形成的高活性的人工火山灰材料，主要成分为无水硅酸铝（AlO·SiO）。一般认为在600～900℃形成的偏高岭土具有较高的活性。当温度超过980℃时，就会产生莫来石和方石英稳定性的晶体，反而失去活性。偏高岭土可与水硬石灰中的氧化钙反应形成CaASiO，铝硅酸钙再经过水化形成水化铝硅酸钙，即水泥石，能显著提高浆液结石体的早期强度和稳定性。

1.2 灌浆材料添加剂选择

超细水泥（MFC）是高性能超微粒水泥基灌浆材料，具有良好的渗透性和可灌性，能够渗透到细微的裂隙里，其灌浆效果与有机化学灌浆液相似。因此，选择超细水泥作为添加剂使得灌浆料的性能更良好。本次试验使用超细水泥的比表面积在800m/kg以上，平均粒径10μm以下，这样浆液流动性好、稳定性及可灌性高。但因为水泥材料自身存在许多不足，故本次试验超细水泥用量控制在20%以下。

1.3 灌浆材料激活剂选择

偏高岭土在碱激活剂（Alkali Activator）作用下，可以形成以铝硅酸大分子链聚合物。偏高岭土将活泼的碱金属离子固化到聚合物中，减少钾和钠离子的析出，避免出现泛盐碱的现象。虽然偏高岭土能消耗大量水泥产物中的甲烷，提高水泥耐久性及抗碳化能力，但是水泥中石膏的负面作用依然存在，因此要严格控制水泥用量在20%以下。

2 最佳配合比浆材筛选试验

最佳配合比试验使用偏高岭土、超细水泥和其他辅料作为灌浆材料，通过每种材料所掺和量比例的不同，对其黏度（流动性）、收缩变形性、抗渗性及易溶盐含量等方面进行对比分析，得到适合石窟裂隙治理灌浆料的最佳配合比。

2.1 试验内容及标准

试验从灌浆材料的黏度（流动性）、收缩变形性、抗渗性及易溶盐含量等方面确定灌浆材料的性能。黏度（流动性）试验按照中华人民共和国国家标准GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试；收缩变形性试验按照中华人民共和国行业标准JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试，测试岩样28天或7天龄期的收缩变形；抗渗性试验按照中华人民共和国行业标准DL/T5150—2001《水工混凝土试验规程》进行测试，养护龄期为28天；易溶盐含量试验按照中华人民共和国行业标准JTJ-051-93《公路土工试验规程》进行测试。

2.2 试验结果分析

2.2.1 黏度（流动性）

与一般无机浆体材料类似，水灰比是影响复合材料黏度最明显的参数。但除了水灰比，超细水泥及碱激活剂用量对其也有一定影响。图1为超细水泥掺量（超细水泥占超细水泥及偏高岭土总量质量百分比）与黏度之间的关系图。由图1可知，超细水泥掺量小于10%时，黏度主要由偏高岭土来控制，达到15%时，黏度随超细水泥的用量而增高，主要是因为在该用量时，两种活性材料比较容易相互反应，虽然增加了灌浆阻力，但却有利于初期凝固的形成。当超细水泥用量达到20%时，黏度反而降低，即超细水泥对初期反应有一定抑制作用，但后期强度却影响不大。

图1 超细水泥掺量与黏度之间的关系图

2.2.2 收缩变形性

灌浆材料的固化过程中的收缩变形是影响灌浆效果的一个关键因素，材料的收缩变形与用水量有密切关系外，偏高岭土与超细水泥复合材料的收缩变形与激活剂掺量有密切关系。图2为不同水灰比下试样收缩率对比图，图3为水灰比为0.75时不同激活剂下试样收缩率对比图。由图2可知，收缩性与材料的水灰比的增加基本呈线性增加关系，但总体收缩率不大，最大为0.42%。收缩主要发生在7d以内，7d以后收缩幅度变化较小。其中水灰比为0.65的试样在28d的收缩率小于7d数值，其余水灰比的试样28d的收缩率均大于7d的收缩率。这种情况说明，试样的水灰比为0.65时，试样后期出现了轻微膨胀，试样硬化膨胀可以提高灌浆材料的密实度及与岩体之间黏结性能。由图3可知，当水灰比均为0.75，不掺入激活剂时，试样收缩率较高，但仍然满足试验要求。在添加激活剂后，收缩率减少约一半。表明添加激活剂对试样的收缩率有明显的降低作用。当激活剂用量2%、3%时，28d的收缩率较7d要低，表明试样后期出现了轻微膨胀，这样的膨胀能增加灌浆材料的密实性。

图2 不同水灰比下试样收缩率对比图

图3 不同激活剂下试样收缩率对比图（水灰比=0.75）

2.2.3 抗渗性

良好的抗渗性是裂隙灌浆材料一个基本要求，也是评价灌浆效果的重要指标之一。如果灌浆材料的抗渗性较差，那么灌浆的效果就会大打折扣，甚至有可能继续渗水，会缩短文物修复材料的使用寿命，还有可能会增加盐碱的程度。图4为水灰比控制0.75、超细水泥与激活剂用量对渗透系数关系图。由图4可知，各试样的渗透系数的数量级均为10cm/s，基本达到抗渗要求；提高超细水泥用量会导致试样的渗透系数增加；当激活剂用量大于1%时，试样的渗透性也将增加。因此，从提高强度上看，适当增加超细水泥用量是必要的，但从提高抗渗性能上，应适当提高偏高岭土的用量；材料的渗透性与强度受激活剂影响基本类似，建议控制在1%以内。

图4 超细水泥与激活剂用量对渗透系数关系图（水灰比=0.75）

2.2.4 易溶盐含量

材料中含盐量的多少对岩体泛盐碱现象的产生有直接的关系，因此需要对材料进行含盐量测定。在激活剂用量为1%，水灰比为0.75的条件下，对超细水泥含量为15%和20%的试样（编号分别为PC15和PC20）进行易溶盐含量的测定，并与同样水灰比超细水泥浆体的含盐量对比。表1为不同配比试样易溶盐含量测试结果。由表1可知，超细水泥浆体的含盐总量为34.947g/kg，而以偏高岭土与超细水泥混合材料为主剂的配方中，试样的易溶盐含量为4.340～4.979g/kg，仅为超细水泥硬化浆体易溶盐含量的12.4%～14.2%。特别是钙离子、钾离子和钠离子含量明显降低，这是因为在偏高岭土激活过程中，上述离子参与了固化反应，形成不可溶晶体一部分。这样大幅度降低了可溶盐对文物本体的破坏可能性。三种浆体中的Cl为0.067～0.135g/kg，均比较低，但是在偏高岭土与超细水泥混合材料为主剂的两种配方中，SO的含量分别为1.613和1.824g/kg，而超细水泥浆体中SO的含量只有0.605g/kg。通过以上对比可知，以超细水泥加偏高岭土为活性材料的灌浆料，具有较好的强度与抗渗性，远低于水泥的析盐量，与裂隙中泥质与钙质充填具有良好的黏结性的材料，具有较好的材料性能及适用性。

表1 不同配比试样易溶盐含量测试结果图

3 现场灌浆试验

3.1 灌浆材料及工艺流程

针对罗汉堂周边及其龙王庙沟洞窟的地质条件和工程地质特性，结合室内试验对灌浆材料的黏度（流动性）、收缩变形性、抗渗性及易溶盐含量等方面对比分析的结果，选用超细水泥加偏高岭土为活性材料的灌浆料进行现场灌浆试验。灌浆的工艺流程为文物本体的防护（对灌浆裂隙以外的文物本体进行防护防止污染）、清洁裂面（使用蒸汽或压缩空气清洁）、布设灌浆管（根据裂隙张开度、分布情况以及灌浆料性质进行布置）、封缝（用环氧树脂配制的胶泥依次对裂隙进行封堵）、灌浆（选择泵送、人工注射器注射等方式将浆料压进岩石裂缝）、做旧（尽量与文物本体贴合）。

3.2 裂隙灌浆效果检测与评价

灌浆加固是处理裂隙最常用的技术方法，也是石质文物保护和修复过程中不可缺少的技术手段。灌浆的质量及其效果的好坏需要通过一定的评价指标来衡量，通常待灌浆后浆液和岩体充分黏结后，可以通过无损和钻孔取样两种途径对裂缝灌浆体进行检测，评价其灌浆效果。

对于一些大型构造裂隙及大规模灌浆加固区域，灌浆的主要目的为封闭充填裂隙、减缓裂隙风化速度，灌浆效果可以采用地质雷达探测或裂隙灌浆饱满度来评测；对于一些小型浅层裂隙及文物本体附近裂隙灌浆，可利用超声波法、电阻率微测深法、探地雷达为主要技术手段进行检测，通过与灌浆之前裂隙位置探测结果对比分析，根据不同地球物理方法反映的裂隙异常形态、裂隙异常范围进行定性或定量评价。

4 结论

通过室内最佳配合比筛选试验，可得到以下结论：①当超细水泥、偏高岭土、碱激活剂以质量的最佳配合比为1∶0.15∶0.01作为岩体裂隙灌浆的材料时，水灰比控制在0.4～0.65为宜。②碱激活剂的掺量控制在1%左右，在不影响浆液其他性能的前提下，可以降低试样的收缩率。

超细水泥、偏高岭土以最佳配合比混合后掺加不同量的激活剂，将水灰比控制在一定范围内，其制成的浆液结石体的各种性能都有明显改善。当激活剂的掺量为1%时，其浆液结石体渗透性提高，收缩率降低，裂隙灌浆时可以起到很好的加固效果。这种配比的材料适合用于砂岩石窟裂隙的灌浆加固处理。