趙林毅，王旭東，李 黎，嚴(yán)紹軍，蔣思維，李志鵬，李最雄，方 云

(1. 敦煌研究院，甘肅敦煌 736200； 2． 國(guó)家古代壁畫與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心，甘肅敦煌 736200；3． 中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院，北京 100029； 4． 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北武漢 430074；5． 大足石刻研究院，重慶大足 402360； 6． 敦煌研究院文物保護(hù)技術(shù)服務(wù)中心，甘肅蘭州 730000)

0 引 言

巖體裂隙是威脅砂巖石窟安全的主要因素之一，裂隙注漿是解決此類問題的主要工程措施。中國(guó)對(duì)裂隙注漿材料的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，對(duì)石窟文物的搶救性保護(hù)起到了關(guān)鍵的作用[1-8]。水硬石灰用于石質(zhì)文物的保護(hù)研究在歐美國(guó)家起步較早[9-15]，中國(guó)相對(duì)較晚[16]。本工作緣于李最雄先生對(duì)我國(guó)最早的“仰韶混凝土”的研究[17，18]，以及對(duì)基于“仰韶水泥”(β-CaSiO3和Ca2Al2SiO7，見文獻(xiàn)[17，18])的巖土質(zhì)文物保護(hù)加固系列材料的研究[19-23]，并引入偏高嶺土和膨脹劑AEA分別作為填料和膨脹劑[24-27]，進(jìn)行了砂巖石窟巖體裂隙灌漿材料室內(nèi)篩選研究[28]，實(shí)驗(yàn)初步篩選出了燒料礓石、偏高嶺土、石英砂的最佳質(zhì)量配合比為1∶0.6∶0.4，膨脹劑AEA的最佳摻量為總質(zhì)量的10%，最佳水灰比為0.5～0.6的灌漿材料?；谝陨涎芯浚P者進(jìn)一步對(duì)此種配比材料的物理力學(xué)特性及耐候性進(jìn)行了系統(tǒng)的室內(nèi)研究，同時(shí)與未摻加膨脹劑的情況進(jìn)行了對(duì)比。

1 漿液及試塊制備

實(shí)驗(yàn)中，將過200目篩的燒料礓石水硬石灰與過300目篩的偏高嶺土以及工業(yè)用石英砂以質(zhì)量比1∶0.6∶0.4混合，摻加占以上總質(zhì)量10%的膨脹劑AEA，以水灰比0.5、0.6分別配制4種漿液(表1)，測(cè)試漿液的流動(dòng)度及初凝、終凝速度。同時(shí)制備40mm×40mm×160mm和70mm×70mm×70mm兩種規(guī)格的棱柱體試塊，進(jìn)行漿液結(jié)石體的物理力學(xué)特性及環(huán)境諸因素影響性實(shí)驗(yàn)。

2 基本試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)4種漿液的流動(dòng)度、 標(biāo)準(zhǔn)稠度及凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測(cè)定。采用JC/T 958—2005型測(cè)試儀， 參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》測(cè)試漿液的流動(dòng)度， 采用ISO9597—1898型標(biāo)準(zhǔn)稠度及凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀， 參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1346—2001測(cè)試漿液的凝結(jié)時(shí)間， 結(jié)果見表2。

表1 漿液及試塊制備

表2 漿液流動(dòng)度、初凝和終凝速度測(cè)定

3 物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

3.1 結(jié)石體齡期強(qiáng)度試驗(yàn)

采用40mm×40mm×160mm棱柱體試樣，WDW-200型微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)，參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》測(cè)試結(jié)石體在3d、 7d、 14d、 28d的齡期抗折、抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖1。

圖1 結(jié)石體齡期強(qiáng)度變化Fig.1 The relation of the age strength test

3.2 結(jié)石體的耐凍融試驗(yàn)

采用40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣，DW-FL90型超低溫冷凍儲(chǔ)存箱，HBY-20型恒溫恒濕箱，先將28d齡期的結(jié)石體在-30℃低溫下凍12h，然后在溫度25℃、RH90%條件下融12h，如此反復(fù)凍融18個(gè)循環(huán)后，按照3.1所述方法，測(cè)試試樣的抗折、抗壓強(qiáng)度變化，每6個(gè)循環(huán)后觀察并做描述，測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 凍融前后強(qiáng)度的變化Fig.2 The changing of the strength before and after freezing and thawing test

3.3 結(jié)石體的溫濕度試驗(yàn)

采用ETH-1980-20-CP-AR型恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)。將28d齡期的40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣，在105℃加熱12h，然后在溫度25℃、RH90%的條件下放置12h，如此反復(fù)循環(huán)18個(gè)周期后，按照3.1所述方法，測(cè)試試樣的抗折、抗壓強(qiáng)度變化，結(jié)果見圖3。

圖3 溫濕度循環(huán)前后強(qiáng)度的變化Fig.3 The changing of the strength before and after temperature-humidity cycle

3.4 結(jié)石體的安定性試驗(yàn)

將28d齡期的40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣，在飽和Na2SO4溶液中浸泡20h取出，105℃烘4h，如此反復(fù)循環(huán)5次后，按照3.1所述方法，測(cè)試試樣的抗折、抗壓強(qiáng)度變化，結(jié)果見圖4。

圖4 結(jié)石體安定性試驗(yàn)的強(qiáng)度變化Fig.4 The changing of the strength during the stability test

3.5 結(jié)石體的耐堿性試驗(yàn)

將28d齡期的40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣，在2%NaOH溶液中浸泡12h后取出，105℃烘4h后，按照3.1所述方法，測(cè)試試樣的抗折、抗壓強(qiáng)度變化，結(jié)果見圖5。

圖5 耐堿前后強(qiáng)度的變化Fig.5 The changing of the strength before and after alkali-resisting

3.6 結(jié)石體的水穩(wěn)定性試驗(yàn)

1) 濕試塊。將28d齡期的40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣，在室溫水中浸泡24h，取出后按照3.1所述方法，立即測(cè)試試樣的抗折、抗壓強(qiáng)度變化，結(jié)果見圖6。

2) 自然風(fēng)干試塊。將28d齡期的40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣，在室溫水中浸泡24h，取出后在室內(nèi)自然風(fēng)干，然后按照3.1所述方法，測(cè)試試樣的抗折、抗壓強(qiáng)度變化，結(jié)果見圖7。

3.7 固化溫度對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度的影響

將40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣， 在室溫固化3d后，分別在常溫、50℃、100℃及150℃條件固化8h，按照3.1所述方法，測(cè)試試樣的抗折、抗壓強(qiáng)度變化，結(jié)果見圖8。

圖6 結(jié)石體經(jīng)水浸泡后強(qiáng)度的變化Fig.6 The changing of the strength before and after soaking

圖7 結(jié)石體經(jīng)水浸泡后自然風(fēng)干強(qiáng)度的變化Fig.7 The changing of the strength before and after soaking (natural weathering)

圖8 固化溫度對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度的影響Fig.8 The strength affected by the solidification temperature

3.8 結(jié)石體齡期含水率變化及干密度和孔隙率

采用40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣，分別測(cè)試結(jié)石體3d、7d、14d、28d齡期的含水率變化及28d后的孔隙率。依據(jù)GB/T 50123—1999《TUG 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所用的試驗(yàn)儀器有JA5003A 電子天平、DHG恒溫干燥箱、JDM-1土壤相對(duì)密度儀、WH-1土壤濕度密度儀等，測(cè)試結(jié)果見表3。

3.9 結(jié)石體的收縮變形性試驗(yàn)

采用ZL00261525砂漿膨脹收縮儀，參照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試結(jié)石體28d收縮率(圖9)。

表3 結(jié)石體不同齡期含水率變化及干密度和孔隙率

圖9 收縮率Fig.9 Shrinkage rate

3.10 彈性波速與齡期的關(guān)系

采用RSM型巖土工程儀器，制作70mm×70mm×70mm規(guī)格試樣，測(cè)試?yán)庵w在1～30d的彈性波速，測(cè)試結(jié)果見圖10。

圖10 齡期—波速關(guān)系圖Fig.10 The relation of the age and elastic wave velocity

4 結(jié) 論

通過對(duì)漿液和漿液結(jié)石體物理力學(xué)特性試驗(yàn)，得出如下初步結(jié)論：

1) 1#、2#、3#和4#漿液都有較好的流動(dòng)性，3#漿液的流動(dòng)性最好，4種漿液都有適宜的初凝和終凝速度。

2) 1#、2#、3#和4#漿液結(jié)石體都有較高的齡期強(qiáng)度，特別是較好的早期強(qiáng)度，這對(duì)石窟巖體裂隙注漿，尤其是堵水十分有利。

3) 4種漿液結(jié)石體試塊經(jīng)18次凍融循環(huán)后，力學(xué)強(qiáng)度都稍有下降。經(jīng)溫濕度18次循環(huán)后，1#、2#試塊的抗壓強(qiáng)度稍增，3#、4#微降。因此在高溫條件下，不利于石灰、水硬性材料的碳化和水化養(yǎng)護(hù)。經(jīng)5個(gè)循環(huán)的安定性實(shí)驗(yàn)后，4種試塊的抗壓強(qiáng)度都有不同程度的增長(zhǎng)，其中1#、4#試塊的抗折強(qiáng)度稍有增加，2#、3#試塊的抗折強(qiáng)度略有降低。經(jīng)耐堿性實(shí)驗(yàn)后，4種漿液結(jié)石體試塊的抗壓強(qiáng)度都有所增長(zhǎng)，抗折強(qiáng)度略有降低。

4) 漿液結(jié)石體在水中浸泡24h后，4種試塊的抗折、抗壓強(qiáng)度微降。將4種試塊分別在50℃、100℃及150℃條件下固化8h后，其強(qiáng)度有的微增，有的微降，說明高溫條件對(duì)注漿材料的強(qiáng)度略有影響，不過這種特性對(duì)巖體裂隙注漿影響不大。

5) 4種漿液結(jié)石體都有較大的孔隙率，但3#、4#漿液中加入10%的膨脹劑AEA后，孔隙率明顯下降。4種漿液結(jié)石體都有小的收縮變形性，特別是加入10%的膨脹劑AEA的3#、4#漿液，收縮率非常小，幾乎達(dá)到無收縮變形狀態(tài)。

6) 彈性波速測(cè)試結(jié)果表明，4種漿液結(jié)石體有基本相似的波速變化規(guī)律，且波速較大，隨齡期的增長(zhǎng)，波速也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；1～7d時(shí)波速增長(zhǎng)較快，之后增長(zhǎng)緩慢；加入10%膨脹劑AEA的3#、4#漿液，其結(jié)石體波速大于未加膨脹劑的1#、2#漿液；對(duì)比4種漿液結(jié)石體相應(yīng)時(shí)段的齡期強(qiáng)度，其變化與波速變化趨勢(shì)基本一致。

綜合以上對(duì)漿液及漿液結(jié)石體物理力學(xué)性能的測(cè)試與分析，燒料礓石水硬石灰的固化過程是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的。一方面，其中的氣硬組分CaO與水和大氣中的CO2作用形成CaCO3，整個(gè)過程是從膠凝體的表面向內(nèi)延伸，由于接觸的CO2越來越少，這個(gè)過程也會(huì)越來越慢，逐漸形成CaCO3膠凝體，使結(jié)石體具備了較大的孔隙率和良好的透水透氣性。另一方面，其中的硅酸鈣(β-CS)和鋁硅酸鈣(C2AS)遇水作用發(fā)生水合作用形成強(qiáng)度較高的β-CSHn和C2ASHn水化產(chǎn)物，這種作用在較短時(shí)間內(nèi)完成，這個(gè)過程對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度增長(zhǎng)做了很大的貢獻(xiàn)。偏高嶺土(AS2)的加入，AS2與水硬石灰中的CaO作用生成C2AS，其水化過程能夠顯著提高結(jié)石體的早期強(qiáng)度。同樣膨脹劑的加入顯著降低了結(jié)石體的收縮性能。本試驗(yàn)中以燒料礓石水硬石灰為膠凝材料，以偏高嶺土、石英砂為填料，質(zhì)量比為1∶0.6∶0.4，同時(shí)摻加占總質(zhì)量10%的膨脹劑AEA，水灰比控制在0.50～0.60時(shí)，該種配比的材料具有良好的物理力學(xué)特性和強(qiáng)的耐環(huán)境因素影響能力，是一種適宜砂巖石窟巖體裂隙灌漿的材料。

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