龍門石窟裂隙防滲灌漿新材料試驗(yàn)研究

趙　莽，嚴(yán)紹軍，何　凱，竇　彥，方　云，翟國林

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢　430074； 2.廣州市地下鐵道總公司，廣州　510000)

龍門石窟裂隙防滲灌漿新材料試驗(yàn)研究

趙莽1，嚴(yán)紹軍1，何凱1，竇彥1，方云1，翟國林2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢430074； 2.廣州市地下鐵道總公司，廣州510000)

摘要：因龍門石窟早期使用的超細(xì)水泥和環(huán)氧樹脂材料在后期存在著耐久性較差、泛鹽堿等問題，迫切需要選出更有效的裂隙防滲灌漿新材料，以滿足龍門石窟的防滲要求。通過對研發(fā)的偏高嶺土、天然水硬性石灰、硫鋁酸鹽水泥等5組材料配方的流動性、收縮性、抗壓抗折強(qiáng)度等特性進(jìn)行對比分析，得出偏高嶺土、天然水硬性石灰、膨潤土3種材料配方適合于現(xiàn)場灌漿。在現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)中，確定了灌漿壓力為0.1～0.4 MPa，并對材料的可灌性和灌漿參數(shù)進(jìn)行了探討與分析。同時，為評價(jià)灌漿效果，對灌漿材料28 d后的固化程度、密實(shí)度、充填程度、黏結(jié)程度等進(jìn)行檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明偏高嶺土材料配方的灌漿效果最佳，為更適合于龍門石窟裂隙防滲的灌漿材料。

關(guān)鍵詞：龍門石窟；防滲灌漿；抗壓抗折強(qiáng)度；灌漿壓力；可灌性

1研究背景

龍門石窟開鑿于洛陽伊河兩岸的碳酸鹽巖巖壁上，包含佛塔40余座，窟龕2 300余個，碑刻題記3 600余塊，人物造像10萬多尊，展現(xiàn)了中國北魏晚期至唐代期間最具規(guī)模和最為優(yōu)秀的造型藝術(shù)，為研究中國的佛教歷史和古代雕刻藝術(shù)提供了重要的實(shí)物資料。龍門石窟是中國聞名世界的三大石窟之一，于1999年被列入世界文化遺產(chǎn)目錄[1-3]。

但至今1 500多年以來，在長期的地質(zhì)營力和人為因素的影響下，龍門石窟產(chǎn)生了諸多嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)病害，如風(fēng)化、滲水、溶蝕、裂隙切割等；其中，滲水的破壞性最大，影響最為突出[1-3]。石窟區(qū)的巖性以寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)的灰?guī)r和白云巖為主，在長期的地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化營力等作用下，窟區(qū)巖體發(fā)育有大量的層面裂隙、構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙，裂隙彼此相互切割窟區(qū)巖體及人物造像，使巖體表面產(chǎn)生破壞，發(fā)生剝落掉塊，也為滲水提供了良好的滲漏通道[1-2]。水體沿裂隙下滲，作用于可溶性巖體，使造像表面產(chǎn)生溶蝕病害及次生生物病害，同時加劇了石窟巖體的物理破壞作用，使石窟內(nèi)造像均遭受了不同程度的破壞[1-4]。龍門石窟滲水主要以短期滲漏為主，具有持續(xù)性和反復(fù)性，從滲水病害的形成機(jī)理分析可知，防滲是治理龍門石窟滲水病害的根本途徑[4]，主要方法是對補(bǔ)給區(qū)巖體進(jìn)行防滲灌漿，而選擇合適的灌漿材料是防滲工程中的關(guān)鍵性問題。

國內(nèi)外的眾多學(xué)者對灌漿材料在巖土工程及文物保護(hù)方面的應(yīng)用作了眾多研究。魏濤等[5]、汪在芹等[6]對環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿材料的性能進(jìn)行了研究，并將其運(yùn)用到斷層破碎帶固結(jié)灌漿、溶蝕帶基礎(chǔ)防滲等工程中去，取得了良好的效果。敦煌研究院文物保護(hù)研究所將PS加固材料(高模數(shù)的硅酸鉀溶液)成功應(yīng)用到安西榆林石窟、河倉城等[7]石(土)質(zhì)類文物的保護(hù)中；趙林毅等[8]、李黎等[9]和李最雄等[10]在對中國傳統(tǒng)水硬性石灰(仰韶水泥)研究的基礎(chǔ)上，對燒料礓石和燒阿嘎土2種水硬石灰的基本物理力學(xué)性能及環(huán)境影響因素進(jìn)行試驗(yàn)分析，表明阿嘎土和燒料礓石經(jīng)高溫焙燒改性后可作為一種很好的砂礫巖石窟巖體裂隙灌漿材料。在國外，用于文物保護(hù)修復(fù)的材料主要包括無機(jī)、有機(jī)及復(fù)合材料等，英國曾用石灰水加固WellsCathedrals的雕刻作品[11]；Banthia等[12]在利用丙烯酸樹脂對印度的石質(zhì)文物進(jìn)行加固修復(fù)保護(hù)時，發(fā)現(xiàn)丙烯酸樹脂對石質(zhì)文物具有很強(qiáng)的滲透性能，對文物內(nèi)部的藻類及菌類具有良好的滅殺作用；Fasssina等[13]研究過水硬性石灰對歷史建筑物修補(bǔ)的受潮的影響。

龍門石窟在前期的防滲灌漿中，主要采用環(huán)氧樹脂和超細(xì)水泥2種灌漿材料，效果較為明顯[14]，但在后期的使用過程中均存在一定問題：超細(xì)水泥碳化后孔隙率增加，由于其含鹽量較高，容易析出，在雕像表面產(chǎn)生泛鹽堿現(xiàn)象，破壞其表觀色彩；而環(huán)氧樹脂與裂隙中附著的泥質(zhì)、鈣質(zhì)充填物的銜接性差，材料本身的收縮大，易開裂，耐久性較差。因此迫切需要選擇出更有效的裂隙防滲灌漿的新材料，以滿足龍門石窟的防滲要求。

本文在對室內(nèi)研發(fā)的5組材料配方的特性對比分析的基礎(chǔ)上，提出了適合進(jìn)行現(xiàn)場灌漿的優(yōu)選配方；通過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定了各配方的現(xiàn)場灌漿壓力、水灰比、灌漿半徑等，形成了一套適合龍門石窟裂隙現(xiàn)場灌漿的施工工藝流程，并篩選出最佳的防滲灌漿材料，為同類石窟的滲水病害治理提供了有效的解決途徑和值得借鑒的研究方法。

表1　4種材料的化學(xué)組分

2室內(nèi)試驗(yàn)

2.1原材料

室內(nèi)試驗(yàn)主要以偏高嶺土(MK)、天然水硬性石灰(NHL2)、膨潤土(BT)、硫鋁酸鹽水泥(SLC)4種材料為主劑，以超細(xì)水泥、水玻璃、氫氧化鈉、微硅粉、粉煤灰等為輔劑，并添加了一些外加劑，如減水劑、消泡劑等。按照正交試驗(yàn)的方法，通過不斷地調(diào)整主劑和輔劑之間的配比，形成一系列的材料配方，4種主材料的化學(xué)組成如表1所示。

2.2試驗(yàn)內(nèi)容及優(yōu)選配方

試驗(yàn)主要從各材料配方的流動性、凝結(jié)時間、抗?jié)B性、黏結(jié)強(qiáng)度等性能進(jìn)行篩選分析。其中，流動性試驗(yàn)參考《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2419—2005)測試漿體30min和1h的流動度；凝結(jié)時間、收縮率、抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70—2009)進(jìn)行測定；收縮率和強(qiáng)度的測定條件是干養(yǎng)護(hù)7d或28d，試樣尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm；抗?jié)B性和抗折強(qiáng)度的測定依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150—2001)進(jìn)行，抗?jié)B性的測試的試樣尺寸為φ50mm×60mm，抗折強(qiáng)度試樣尺寸為160mm×40mm×40mm，養(yǎng)護(hù)齡期均為28d；易溶鹽含量的測定參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ-051—93)。

通過測定各漿體的硬化過程及硬化后的力學(xué)強(qiáng)度等性能，篩選出水硬性石灰配方(NHL)、偏高嶺土配方(MK01和MK02)、膨潤土配方(BT)及硫鋁酸鹽水泥配方(SLC)如表2所示。

表2　5組最優(yōu)配方

注：SLC的水灰比為0.5。

2.3結(jié)果對比分析

2.3.1流動度

圖1　流動度對比分析Fig.1　Comparison of fluidity

漿體流動性直接決定了材料在進(jìn)行現(xiàn)場灌漿時可灌性的好差，流動度越大，可灌性越好。圖1為5組配方流動度對比圖。由圖1可知，硫鋁酸鹽水泥配方的流動度最大，1min后的流動度高達(dá)324mm，但其30min后的流動度損失較為明顯，達(dá)11.4%，主要是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥是一種快硬型的水泥；天然水硬性石灰的流動度最小，1min和30min后的流動度分別為130mm和150mm；其他3組配方1min和30min的流動度相差不大，均在150mm左右。各組配方的流動度均滿足裂隙防滲灌漿的流動度>120mm的要求。

2.3.2凝結(jié)時間

凝結(jié)時間分為初凝時間和終凝時間。初凝時間一般不宜過短，現(xiàn)場灌漿時，從拌合灌漿材料到灌漿開始有一定的間歇時間，若漿體初凝過快，在實(shí)際灌漿中所需的灌漿壓力會增大，漿體的可灌性變差；終凝時間不宜過長，材料灌入到導(dǎo)水裂隙中后應(yīng)能夠較快達(dá)到終凝并產(chǎn)生強(qiáng)度，以防被裂隙中滲水帶走，不能有效起到防滲堵漏的作用。

圖2　凝結(jié)時間對比分析Fig.2　Comparison of setting time

由圖2可知，SLC(硫鋁酸鹽水泥)的初凝和終凝時間最短，初凝時間為95min，終凝時間為125min，這與硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)較快的特性相符合；加入膨潤土的BT配方所需的凝結(jié)時間最長，初凝時間為370min，終凝時間為415min，原因是膨潤土的加入使材料體系的凝結(jié)速率減低，但從而也保持了其流動度相對穩(wěn)定；其他3組材料配方的凝結(jié)時間介于BT和SLC兩種材料之間。對比2種偏高嶺土配方材料可以看出，隨著超細(xì)水泥含量的降低、偏高嶺土含量的升高，材料的凝結(jié)時間降幅很大，主要是因?yàn)槌?xì)水泥是控制整個材料凝結(jié)速率的主要因素，其含量的降低必然會導(dǎo)致凝結(jié)時間的延長。整體而言，5組材料配方均滿足現(xiàn)場灌漿凝結(jié)時間(<12h)的要求。

2.3.3收縮率

在進(jìn)行裂隙灌漿時，材料的收縮性對防滲的效果起到重要的作用，當(dāng)收縮值較大時，容易在材料中間或材料與巖體的接觸面上產(chǎn)生新的裂縫，防滲效果則會降低；若材料在后期有一定的微膨脹性，會使材料和巖體之間的黏結(jié)程度有所增加，則會進(jìn)一步提高材料的灌漿效果。

在5組配方中，膨潤土配方(BT)7d和28d齡期的收縮率分別為0.58%和0.34%，收縮性較大，容易產(chǎn)生開裂，主要是因?yàn)榕驖櫷林泻写罅坑H水性礦物蒙脫石所造成的，制樣時蒙脫石吸水膨脹，試樣中水分含量較高，隨時間推移水分的流失，導(dǎo)致其收縮性較大；硫鋁酸鹽水泥7d和28d的收縮率分別為-0.024%和0.04%，可以看出，SLC具有一定的微膨脹性，這樣可相對提高灌漿水泥與裂隙巖體之間的緊密程度，主要是因?yàn)楣酀{體處于受限制狀態(tài)，會產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，從而提高漿體與巖石基體的結(jié)合程度；其他3組配方7d和28d前后的收縮率變化不大，且收縮性也較小，如MK02配方，7d和28d的收縮率分別為0.033%和0.025%，可見試樣的體積基本趨于穩(wěn)定，變化不大(圖3)。

圖3　收縮率對比分析Fig.3　Comparison of shrinkage rate

2.3.4抗?jié)B性

材料的抗?jié)B性是評價(jià)灌漿效果的重要指標(biāo)之一，也是決定材料好差的關(guān)鍵因素。本次研究的灌漿材料主要用于文物修補(bǔ)，如果抗?jié)B性較差，則會導(dǎo)致灌漿效果不理想，仍可能繼續(xù)滲水，不僅會影響材料的修復(fù)壽命，還有可能會增大泛鹽堿的可能性。

圖4　抗?jié)B性對比分析Fig.4　Comparison of impermeability

圖4為5組材料配方滲透系數(shù)的對比圖。由圖4可知，以膨潤土為主劑的配方滲透系數(shù)最小，為1.847×10-9cm/s，可見其抗?jié)B性較好。原因是膨潤土將高分子聚合物一端吸附在膨潤土顆粒表面，而另一端溶于水使膨潤土顆粒和水分子之間產(chǎn)生了一種間接的聯(lián)系，形成一種聯(lián)接作用，減少了試樣中的自由水，從而到達(dá)降低滲透性的目的；2組以偏高嶺土為主劑的配方MK01和MK02滲透系數(shù)均較大，分別為4.732×10-8cm/s和7.172×10-8cm/s，比其他配方的滲透系數(shù)大一個數(shù)量級，相對來說抗?jié)B性較差；NHL和SLC配方的滲透系數(shù)相差不大，分別為1.257×10-8cm/s和9.25×10-9cm/s?？傮w而言，5組配方的滲透系數(shù)均低于10-7cm/s，完全能滿足石窟對材料抗?jié)B性能的要求。

2.3.5力學(xué)性能

裂隙防滲灌漿是為解決滲水問題而進(jìn)行的，具有長期性作用，因此材料應(yīng)具有良好的抗凍融性、耐久性等，而材料的力學(xué)性能則是評價(jià)灌漿后期效果的重要指標(biāo)，若材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)強(qiáng)度越高，則材料的抗凍融性、耐久性、抗風(fēng)化性就越好，其工程性質(zhì)越好，反之亦然。針對石窟文物的特殊性，試驗(yàn)還考慮了用于評價(jià)材料與巖體之間黏結(jié)緊密程度的黏結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)，以便能更好地評價(jià)灌漿材料的工程性質(zhì)。

2.3.5.1抗壓強(qiáng)度

圖5為5種材料配方的抗壓強(qiáng)度對比分析圖。由圖5可知，硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度最大，材料7d的抗壓強(qiáng)度為20.2MPa，28d后的增幅較大，達(dá)19.4%；天然水硬性石灰的抗壓強(qiáng)度較小，7d和28d的抗壓強(qiáng)度分別為3.16MPa和6.71MPa，其強(qiáng)度增幅最大，達(dá)到112.34%。

圖5　抗壓強(qiáng)度對比分析Fig.5　Comparison of compressive strength

對比5組材料的配方可知，抗壓強(qiáng)度的大小與水泥的含量有關(guān)，基本呈正相關(guān)的關(guān)系，如硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度最大，原因是其本身就是一種水泥系列，而天然水硬性石灰配方中的超細(xì)水泥含量為10%，在5組配方中最低，故其抗壓強(qiáng)度較低；MK01和MK02兩組偏高嶺土配方7d的抗壓強(qiáng)度分別為7.24MPa和3.76MPa，28d抗壓強(qiáng)度分別為9.25MPa和5.98MPa，雖然MK02配方中的偏高嶺土含量比MK01增加了5%，有利于提高材料的抗壓強(qiáng)度，但MK01的抗壓強(qiáng)度高于MK02，主要原因是MK01中的超細(xì)水泥含量較高。由此可以看出，材料的抗壓強(qiáng)度主要由水泥的含量所決定，同時對比MK01，MK02和BT配方可知，隨著偏高嶺土含量的增加，抗壓強(qiáng)度的增幅較為明顯，原因是偏高嶺土的火山灰反應(yīng)生成的凝膠堵塞了材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)孔隙，在一定程度上有利于提高材料的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性。

2.3.5.2抗折強(qiáng)度

圖6為5組材料配方28d的抗折強(qiáng)度對比圖。由圖6可知，硫鋁酸鹽水泥配方(SLC)和膨潤土(BT)配方的抗折強(qiáng)度分別為6.5MPa和5.8MPa，遠(yuǎn)高于其他3組配方，MK02配方的抗折強(qiáng)度最低，為0.508MPa；材料配方的抗折強(qiáng)度基本與超細(xì)水泥的含量呈正比，對比2組偏高嶺土配方可知，材料強(qiáng)度大小本質(zhì)上是由超細(xì)水泥決定的，其次偏高嶺土也起到一定的作用，而硅粉、激發(fā)劑等添加劑的加入也會在一定程度上提高材料的強(qiáng)度，如硅粉的加入是材料內(nèi)部的孔隙尺寸減小，從而提高了材料的強(qiáng)度及抗?jié)B性；SLC配方由于材料主劑本身屬于一種水泥種類，其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)較高；而天然水硬性石灰的抗折強(qiáng)度較高的原因可能是水硬性石灰的含量較高，加快了材料的硬化速度，增加了材料的早期抗折強(qiáng)度。

圖6　抗折強(qiáng)度對比分析

2.3.5.3黏結(jié)強(qiáng)度

材料配方黏結(jié)強(qiáng)度的大小直接反映出材料與灌漿基體直接的緊密程度。試驗(yàn)采用直接拉拔試驗(yàn)法來測定材料黏結(jié)強(qiáng)度，黏結(jié)強(qiáng)度大小與試樣的破壞方式有關(guān)，如圖7中膨潤土(BT)和硫鋁酸鹽水泥(SLC)配方的破壞面與巖石接觸面，其黏結(jié)強(qiáng)度最低，分別為2.88kPa和6.66kPa；天然水硬性石灰(NHL)的斷裂面為拉斷面，黏結(jié)強(qiáng)度最大，為120kPa；2組偏高嶺土配方MK01和MK02的拉斷面中，部分為材料與灰?guī)r的接觸面、部分為材料的斷裂面，其黏結(jié)強(qiáng)度分別為66.25kPa和41.64kPa；且當(dāng)硬化漿體的拉斷面積越大時，黏結(jié)強(qiáng)度越高。

圖7　黏結(jié)強(qiáng)度對比分析Fig.7　Comparison of bonding strength

圖8　易溶鹽含量對比分析Fig.8　Comparison of dissolving salt content

與材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度相比，黏結(jié)強(qiáng)度的數(shù)量級僅為kPa級，主要是因?yàn)樵陴そY(jié)強(qiáng)度檢驗(yàn)過程中，模擬灌漿的基巖較為光滑，材料與基巖之間難以緊密地結(jié)合在一起，界面的相互黏結(jié)程度非常有限。因此，在進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度檢測時，2個界面結(jié)合力很弱，容易發(fā)生分離，與實(shí)際條件存在差異，不能充分反映試樣的黏結(jié)特性，因此在這一方面還需要進(jìn)行深入的研究，探索出反映材料黏結(jié)特性的科學(xué)檢測方法。

2.3.6易溶鹽含量

材料含鹽量的高低直接關(guān)系到泛鹽堿現(xiàn)象的程度大小，因此對各配方材料的含鹽量進(jìn)行了測定，如圖8所示。圖8中CXSN表示超細(xì)水泥。

由圖8知，超細(xì)水泥的易溶鹽總量為40.166g/kg。其他的5組配方中，天然水硬性石灰(NHL)的易溶鹽總量最高(34.134g/kg)為超細(xì)水泥的84.9%，主要是水硬性石灰中氧化鈣溶于水形成氫氧化鈣等堿性物質(zhì)析出所形成的，且NHL配方中腐蝕性較高的Cl-，SO42-等離子的含量較高，Cl-和SO42-的含量分別為0.193g/kg和7.181g/kg，SO42-的含量超過了超細(xì)水泥(5.664g/kg)，這些離子在材料后期使用過程中容易析出，在造像表面富集，腐蝕文物。

硫鋁酸鹽水泥(SLC)配方的易溶鹽總量也較高，為9.626g/kg，是超細(xì)水泥的23.9%，可能是硫鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)生的硫鋁酸鈣、鋁膠等堿性礦物析出形成的，但該配方的Cl-，SO42-等離子的含量較低，故堿性遠(yuǎn)小于天然水硬性石灰。其他3組配方的易溶鹽總量均較低，范圍是2.918～4.501g/kg，但這3組配方中的Cl-，SO42-等離子的含量較高，對石窟巖體仍具有較大的腐蝕性，易出現(xiàn)泛鹽堿現(xiàn)象，如偏高嶺土配方MK01的易溶鹽總量為4.291g/kg，但Cl-和SO42-的含量分別為0.189g/kg和1.298g/kg，其中Cl-的含量接近于NHL配方。

材料中Cl-和SO42-的主要危害主要包括物理破壞和化學(xué)破壞2個方面。物理破壞是指這些危害離子進(jìn)入材料內(nèi)部，隨著材料水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溶液飽和，離子以結(jié)晶的方式析出，不僅影響石質(zhì)文物的美觀，同時也對文物表面產(chǎn)生溶蝕，造成文物表面剝落掉塊；化學(xué)作用是指Cl-和SO42-等危害離子與材料內(nèi)部的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而帶來的危害，如SO42-離子與材料中的堿性組分發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石、石膏等膨脹性物質(zhì)，不僅會在文物表面析出，同時在材料內(nèi)部產(chǎn)生一定的膨脹壓力，使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致材料的抗?jié)B性及后期強(qiáng)度材料都大幅度降低。因此要對易溶鹽中易于在石窟巖體表面析出的離子成分進(jìn)行深入研究。

3現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)

3.1灌漿材料及設(shè)備

針對龍門石窟具體的工程地質(zhì)條件及工程地質(zhì)問題，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對各材料配方的流動性、收縮性、抗?jié)B性、抗壓抗折強(qiáng)度等特性對比分析的結(jié)果，得出以天然水硬性石灰(NHL)、偏高嶺土(MK01)和膨脹土(BT)3種材料為主劑的配方較適合于現(xiàn)場灌漿。灌漿時所需的試驗(yàn)設(shè)備主要包括：灌漿機(jī)1臺、風(fēng)槍1臺，Φ16mm和Φ38mm的鉆機(jī)各2臺、空壓機(jī)和攪拌機(jī)各1臺等。

3.2試驗(yàn)區(qū)分布及試驗(yàn)點(diǎn)布置

本次現(xiàn)場灌漿主要選取層面裂隙、構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙較為發(fā)育的區(qū)域進(jìn)行灌漿，主要包括萬佛洞(A區(qū))、四雁洞南側(cè)洞窟(B區(qū))和東山石窟北沖溝(C區(qū))。其中，A區(qū)主要是層面裂隙灌漿，設(shè)置有2個小試驗(yàn)區(qū)，在1號試驗(yàn)區(qū)有1個試驗(yàn)點(diǎn)(A-1)，該試驗(yàn)點(diǎn)布置有3個Φ38mm的灌漿孔，間距為0.5m，孔深450mm；2號試驗(yàn)區(qū)有4個試驗(yàn)點(diǎn)(A-2至A-5)，該區(qū)共布置有12個灌漿孔，且均分布有同一層面處。B區(qū)主要為構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙灌漿，共設(shè)置有3個試驗(yàn)點(diǎn)，布置了9個Φ16mm的灌漿孔，平均孔深350mm。C區(qū)主要為構(gòu)造裂隙灌漿，選擇了5個試驗(yàn)點(diǎn)，布置了14個Φ16mm的灌漿孔。

3.3灌漿的工藝流程

3.3.1灌漿工序

現(xiàn)場灌漿時，對于層面裂隙，鉆孔的鉆進(jìn)方向垂直于裂隙面，而對于構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙，鉆進(jìn)方向則平行于裂隙面；且當(dāng)裂隙面較緊閉時，必須沿裂隙面進(jìn)行注漿，原因是灰?guī)r和白云巖的滲透性極差，一旦鉆孔偏斜，灌漿將無法進(jìn)行。

本次試驗(yàn)主要采用二序孔，且灌漿孔的布置主要為線型，其中一序孔的間距為1.0m，二序孔的間距為0.5m，具體的布置示意圖如9所示。

圖9　現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)鉆孔布置Fig.9　Layout of boreholes for grouting test

圖10　P-Q關(guān)系曲線Fig.10　Relationshipbetween P and Q

3.3.2灌漿壓力

為取得良好的灌漿效果，需要確定各試驗(yàn)區(qū)合理的灌漿壓力范圍值，并對鉆孔的可灌性及裂隙內(nèi)部的充填情況有所了解。灌漿壓力是通過壓水來確定的，對各區(qū)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，從而繪制了注水壓力(P)和流量(Q)的關(guān)系曲線。圖10為A-4-1試驗(yàn)點(diǎn)的P-Q曲線，其冪函數(shù)方程為y=0.036 1x1.415 2，可靠度R2=0.982 9。由圖10可知，在一定壓力范圍內(nèi)，壓力越大，注水量則越大，可近似認(rèn)為灌漿液在鉆孔和層面裂隙中的流動近似為層流。

通過壓水試驗(yàn)，可大致確定A試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)裂隙連通性較好。當(dāng)壓水壓力為0.4MPa時，表面層有被抬動的跡象，可知注水壓力過大，可初步確定A試驗(yàn)區(qū)的灌漿壓力范圍為0.1～0.3MPa。

對B試驗(yàn)區(qū)注水時，水量變化較大，原因可能是裂隙內(nèi)部有鈣質(zhì)沉積物或環(huán)氧樹脂封堵材料存在，且該區(qū)域構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙發(fā)育，裂隙開口差異性較大，同時可能有溶洞存在。進(jìn)行逐步加壓，可初步判斷B試驗(yàn)區(qū)的灌漿壓力范圍為0.1～0.4MPa。

C試驗(yàn)區(qū)因局部裂隙的張開度較大，水流量不均勻，裂隙內(nèi)部的充填物較多，灌漿壓力范圍為0.1～0.3MPa。

3.3.3現(xiàn)場施工工藝流程

結(jié)合以前環(huán)氧樹脂和超細(xì)水泥的現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)[14]，可確定本次現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)的工藝流程為：試驗(yàn)區(qū)和試驗(yàn)點(diǎn)的確定→灌漿孔布置→鉆孔→洗孔→插管和封縫→壓水試驗(yàn)→壓力灌漿→清洗現(xiàn)場→拔管封縫→灌漿效果評價(jià)。在進(jìn)行現(xiàn)場灌漿時，各試驗(yàn)點(diǎn)灌漿材料的分配情況如表3所示。

表3　各試驗(yàn)點(diǎn)灌漿材料分配

4灌漿結(jié)果及效果檢驗(yàn)

4.1灌漿參數(shù)及可灌性分析

現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)根據(jù)灌漿量大小對可灌性進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場各灌漿孔號的具體情況如表4和表5所示。

表4　可灌性劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過對各試驗(yàn)孔灌漿量、灌漿壓力現(xiàn)場灌漿水灰比等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到以下結(jié)論：

表5　現(xiàn)場各試驗(yàn)點(diǎn)鉆孔灌漿情況

(1)NHL灌漿材料對于層面裂隙的張開度>0.5mm時，灌漿壓力為0.1～0.4MPa，水灰比為0.7～0.9，可灌性較好；水灰比<0.7時，可灌性較差。當(dāng)裂隙面張開度<0.5mm時，其可灌性較差；對于構(gòu)造裂隙，由于裂隙面近閉合，裂隙面張開度<0.5mm，灌漿壓力0.4MPa，可灌性一般或較差。

(2)MK01灌漿材料對于層面裂隙的張開度>0.5mm時，灌漿壓力為0.1～0.3MPa，水灰比為0.5～1.0，可灌性很好。裂隙張開度越大，可灌性越好；水灰比<0.5時，可灌性一般；當(dāng)裂隙面近閉合時，漿液可灌性較差。對于構(gòu)造裂隙，由于裂隙面近閉合，灌漿壓力為0.4MPa，可灌性一般或較差。

(3)BT灌漿材料對于層面裂隙的張開度>0.5mm時，灌漿壓力為0.1～0.3MPa，水灰比為0.5～1.0，可灌性較好；水灰比<0.5時，可灌性較好；當(dāng)裂隙面張開度<0.5mm時，漿液可灌性一般或較差。對于構(gòu)造裂隙，由于裂隙面近閉合，灌漿壓力0.4MPa，可灌性較差。

(4) 對于張開度>0.5mm的卸荷裂隙，3種灌漿材料均可使用，建議灌漿的參數(shù)：水灰比0.8，灌漿壓力0.3MPa；張開度<0.5mm時，可適當(dāng)水灰比至1.0～2.0，并且增大設(shè)計(jì)灌漿壓力。

4.2灌漿效果檢驗(yàn)

4.2.1檢驗(yàn)方法

裂隙的防滲灌漿屬于隱蔽性工程，對灌漿效果的合理評價(jià)是確保灌漿質(zhì)量好壞的關(guān)鍵；目前，工程上對灌漿效果評價(jià)的方法主要分為5大類：檢查孔法、分析法、開挖取樣法、變位推測法和物探法[15]。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)實(shí)際的工程地質(zhì)條件和試驗(yàn)點(diǎn)的周邊環(huán)境，現(xiàn)場灌漿采用分析法、檢查孔法和開挖取樣法相結(jié)合對28d后的灌漿效果進(jìn)行評價(jià)分析。對遠(yuǎn)離文物本體的A試驗(yàn)區(qū)和C試驗(yàn)區(qū)采用開挖取樣觀察的方式揭露灌漿面；對于位于石窟頂部的B試驗(yàn)區(qū)，則采用長期觀察法和灌漿量分布特征法進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

4.2.2效果檢驗(yàn)

4.2.2.1A試驗(yàn)區(qū)

(1)A-1試驗(yàn)點(diǎn)。通過對層面裂隙開挖，發(fā)現(xiàn)裂隙大部分被灌漿料所填充，灌漿料呈灰黃或土黃色，且已基本固化，固化后的材料呈薄層脆性材料；裂隙面的灌漿料呈塊狀或片狀；灌漿料在裂隙中以擠壓充填為主，密實(shí)度較好，平均厚度為2.5mm，最大厚度可達(dá)到3.5mm；灌漿料隨裂隙面呈起伏狀，與巖石黏結(jié)程度較好。試驗(yàn)點(diǎn)A-1層面裂隙內(nèi)70%～80%區(qū)域被灌漿料填充(綠色覆蓋區(qū))，其他部分未見灌漿料的區(qū)域，可能是在剖開過程中黏結(jié)在頂部裂隙面上或未填充?？傮w來看，BT配方在水灰比0.7～1.0，灌漿壓力0.2MPa時，灌漿效果很好，其灌漿半徑為0.5～0.9m(圖11(a))。

(2)A-2試驗(yàn)點(diǎn)。該試驗(yàn)點(diǎn)的裂隙灌漿料呈土黃或黃褐色，材料固化，固化后的材料呈薄層塊狀或片狀；灌漿料以擠壓填充式為主，密實(shí)度較好，平均厚度為1.5mm，最大厚度可達(dá)到2.5mm；灌漿料與裂隙面黏結(jié)較好，基本上沒有收縮縫；此處裂隙張開度變化較大，變化范圍為0.5～1.5mm，在隙寬<0.5mm處，裂隙內(nèi)部僅局部呈條帶狀填充，在裂隙開口0.5～2.5mm之間的裂隙面，灌漿料以面狀填充為主。試驗(yàn)點(diǎn)底面有60%區(qū)域被灌漿料填充，開挖區(qū)域的填充率>90%。由此可知，MK01配方在水灰比為0.7～1.0，灌漿壓力為0.3MPa時，灌漿效果很好，灌漿半徑達(dá)0.5～1.35m(圖11(b))。

(3)A-3試驗(yàn)點(diǎn)。裂隙內(nèi)的灌漿料呈土黃或黃褐色，材料已經(jīng)固化，固化后的材料呈薄層脆性塊狀或片狀，在局部裂隙較破碎處灌漿料厚度很大，其密實(shí)度較好，平均厚度達(dá)2mm，最大厚度可達(dá)到2～3cm；灌漿料與巖石裂隙面黏結(jié)程度較好；因裂隙張開度變化較大，在裂隙面<0.5mm處，裂隙基本無填充，張開度在0.5～3.5mm之間的裂隙，灌漿料以面狀填充為主。該試驗(yàn)點(diǎn)底面上有80%～90%區(qū)域被灌漿料填充?？梢?，MK01配方在水灰比為0.5～0.7，灌漿壓力為0.3MPa時，灌漿效果很好，灌漿半徑達(dá)0.5～1.5m(圖11(c))。

(4)A-4試驗(yàn)點(diǎn)。該處裂隙內(nèi)部的灌漿料呈乳白色或黃白色，材料的固化程度較低，只有MK01和BT材料的50%；其平均厚度為1.5mm，與巖石裂隙面黏結(jié)程度一般。灌漿時使用推薦的最優(yōu)水灰比0.48，雖然灌漿壓力依次變?yōu)?.1～0.4MPa，但灌漿量很小，試驗(yàn)點(diǎn)底部裂隙面只有10%～20%區(qū)域被灌漿料填充，灌漿半徑為5～10cm?？芍琋HL配方在水灰比為0.48，灌漿壓力為0.1～0.4MPa時，可灌性較差(圖11(d))。

(5)A-5試驗(yàn)點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)的開挖鉆芯，可以看出裂隙內(nèi)的灌漿料固結(jié)程度較差，只有MK01和BT材料的60%；灌漿料為灰色、灰白色，密實(shí)度較差，平均厚度在0.5～1.5mm之間；與裂隙面的黏結(jié)強(qiáng)度相比來說也較小。試驗(yàn)點(diǎn)底部裂隙面上有70%～80%區(qū)域被灌漿料填充；灌漿半徑為25～30cm。可知，該處NHL配方材料的水灰比為0.68，灌漿壓力依次為0.1，0.2，0.3，0.4MPa時，可灌性較好(圖11(e))。

圖11　A區(qū)各試驗(yàn)點(diǎn)的灌漿效果Fig.11　Grouting effect at each test point in test area A

4.2.2.2B試驗(yàn)區(qū)

B試驗(yàn)區(qū)為石質(zhì)文物本體，采用長期觀察法可以發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行灌漿加固前，石窟的側(cè)壁上有明顯的滲水掛流痕跡；在進(jìn)行灌漿加固后，雖經(jīng)歷了雨水天氣，但石窟內(nèi)部較為干燥，無明顯的滲水現(xiàn)象。由此可以看出，試驗(yàn)區(qū)的灌漿效果較好(圖12)。

圖12　B試驗(yàn)區(qū)灌漿效果Fig.12　Grouting effect in test area B

4.2.2.3C試驗(yàn)區(qū)

C-5試驗(yàn)點(diǎn)。通過直接開挖灌漿裂隙，發(fā)現(xiàn)裂隙內(nèi)部的灌漿料主要呈乳白色，灌漿材料尚未固化，呈乳膠狀；灌漿料的平均厚度為1.0mm，與巖石裂隙面黏結(jié)程度一般，且灌漿料與裂隙面之間存在一定的收縮縫。因裂隙張開度較小，灌漿時，建議采用的水灰比為1.0。

由各試驗(yàn)點(diǎn)的現(xiàn)場灌漿結(jié)果可知，MK01配方材料28d后固化程度表現(xiàn)為：MK01≈BT>NHL；密實(shí)度則為：MK01>BT>NHL；在裂隙中的充填程度為MK01≈BT>NHL；且MK01配方材料的黏結(jié)強(qiáng)度也較高，水灰比可調(diào)控性較大，可見MK01配方材料的現(xiàn)場應(yīng)用性較強(qiáng)。

5結(jié)論

通過各材料配方特性的對比分析及現(xiàn)場灌漿的檢驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：

(1) 在室內(nèi)試驗(yàn)中，天然水硬性石灰(NHL)、膨潤土(BT)及偏高嶺土(MK01)3組配方，就龍門石窟防滲灌漿材料的主控指標(biāo)抗?jié)B性及含鹽量而言，較適合于現(xiàn)場灌漿。

(2) 現(xiàn)場灌漿壓力的合理范圍值為0.1～0.4MPa。

(3) 對于不同的裂隙，裂隙張開度為0.5mm是一個可灌性分界點(diǎn)，當(dāng)張開度>0.5mm，其可灌性較好，反之則較差。

(4) 現(xiàn)場灌漿發(fā)現(xiàn)灌漿量的大小與張開度呈正比，而裂隙張開度與灌漿材料的水灰比大致呈反比。

(5) 根據(jù)材料的固化程度、密實(shí)度、黏結(jié)程度、充填程度等指標(biāo)對灌漿效果進(jìn)行綜合評價(jià)，發(fā)現(xiàn)偏高嶺土配方(MK01)更適合于龍門石窟裂隙防滲灌漿。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)紹軍, 方云, 孫兵，等. 滲水對龍門石窟的影響及治理分析[J]. 現(xiàn)代地質(zhì), 2005, 19(3): 475-478.

[2]馬朝龍, 方云, 李建厚, 等. 龍門石窟萬佛洞至奉先寺北段滲漏水成因分析及綜合防治措施研究[J]. 敦煌研究, 2007，(5)：36-38.

[3]張成渝. 洛陽龍門石窟水的賦存對巖體穩(wěn)定性的影響[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 39(6): 829-834.

[4]方云, 顧成權(quán), 嚴(yán)紹軍，等. 河南洛陽龍門石窟溶蝕病害機(jī)理的研究[J]. 現(xiàn)代地質(zhì)，2003,17(4): 479-482.

[5]魏濤, 汪在芹, 韓煒, 等. 環(huán)氧樹脂灌漿材料的種類及其工程中的應(yīng)用[J]. 長江科學(xué)院院報(bào),2009,26(7):69-72.

[6]汪在芹, 魏濤, 李珍, 等.CW系環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿材料的研究及應(yīng)用[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2011,28(10): 167-170.

[7]王旭東,李最雄.安西榆林窟的巖土工程問題及防治對策[J].敦煌研究,2000,(1):123-131.

[8]趙林毅, 李黎, 李最雄，等. 中國古代建筑中兩種傳統(tǒng)硅酸鹽材料的研究[J]. 無機(jī)材料學(xué)報(bào), 2011, 26(12): 1327-1334.

[9]李黎, 趙林毅, 王金華, 等. 我國古代建筑中兩種傳統(tǒng)硅酸鹽材料的物理力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 30(10): 2120-2127.

[10]李最雄,趙林毅,李黎. 砂礫巖石窟巖體裂隙灌漿新材料研究[J]. 敦煌研究, 2011, (6): 59-64.

[11]MARSHP.BreathingNewLifeintoStatuesofWells[J].NewScientist, 1977, 76: 754.

[12]BANTHIAAK,GYPTAAP.RoleofAcrylicResinintheConservationofDeterioratedKhondalite[J].PolymerPreprints, 2000,4(1): 227-278.

[13]FASSSINAV,FAVAROM,NACCARIA, et al.EvaluationofCompatibilityandDurabilityofaHydraulicLime-basedPlastersAppliedonBrickWallMasonryofHistoricalBuildingsAffectedbyRisingDampPhenomena[J].JournalofCulturalHeritage, 2002, 3(1): 45-51.

[14]方云,劉祥友,胡學(xué)軍,等. 龍門石窟防滲灌漿試驗(yàn)研究[J].石窟寺研究, 2010,(00): 221-243.

[15]劉祥友,翟國林,方云,等. 龍門石窟巖體裂隙防滲注漿機(jī)制及參數(shù)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 33(增2): 3941-3947.

(編輯：黃玲)

Experimental Study on Novel Grouting Materials forFracture Seepage of the Longmen Grottoes

ZHAOMang1,YANShao-jun1,HEKai1,DOUYan1,FANGYun1,ZHAIGuo-lin2

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；2.GuangzhouMetroCorporation，Guangzhou510000，China)

Abstract:Water-seepage is one of the most serious diseases endangering Longmen Grottoes, impervious grouting is a fundamental way to control seepage. As the early use of superfine cement and epoxy resin materials have poor durability, severe salinity problem, more effective seepage materials are demanded urgently. In this paper the liquidity, shrinkage rate, compressive and flexural strength and other characteristics of five new material formulations which include metakaolin, natural hydraulic lime, sulphoaluminate cement and so on obtained from indoor test are

analyzed.Resultsrevealthatthematerialformulationsofmetakaolin,naturalhydrauliclime,andbentonitearesuitableforfieldgrouting.Inthefieldgroutingtest,thegroutingpressureisdetermined0.1-0.4MPa,andthegroutabilityandgroutingparametersarediscussedandanalyzed.Moreover,fortheevaluationofthegroutingeffect,thecuringdegree,density,fillingdegree,bondingdegreeandotheraspectsofthegroutingmaterialsareexaminedandanalyzedafter28days.Resultsshowthatthegroutingeffectofthemetakaolinisthebest.

Key words:Longmen grottoes; seepage grouting; compressive and flexural strength; grouting pressure; groutability

收稿日期：2015-03-16；修回日期：2015-04-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40972183)

作者簡介：趙莽(1988-)，男，安徽淮南人，碩士研究生，主要從事巖土文物保護(hù)和地質(zhì)工程等方面的研究，(電話)13006138863(電子信箱)841787752@qq.com。 通訊作者：嚴(yán)紹軍(1973-)，男，四川綿竹人，副教授，博士，主要從事巖土文物保護(hù)和地質(zhì)工程等方面的研究，(電話)18971675062(電子信箱)shaojuncug@qq.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150188

中圖分類號：TU746.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)06-0115-09

2016,33(06):115-123，128