基于仰韶水泥的砂巖石窟裂隙灌漿材料物理力學(xué)特性研究

趙林毅，王旭東，李 黎，嚴紹軍，蔣思維，李志鵬，李最雄，方 云

(1. 敦煌研究院，甘肅敦煌 736200； 2． 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心，甘肅敦煌 736200；3． 中國文化遺產(chǎn)研究院，北京 100029； 4． 中國地質(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。中國對裂隙注漿材料的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，對石窟文物的搶救性保護起到了關(guān)鍵的作用[1-8]。水硬石灰用于石質(zhì)文物的保護研究在歐美國家起步較早[9-15]，中國相對較晚[16]。本工作緣于李最雄先生對我國最早的“仰韶混凝土”的研究[17，18]，以及對基于“仰韶水泥”(β-CaSiO3和Ca2Al2SiO7，見文獻[17，18])的巖土質(zhì)文物保護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]，進行了砂巖石窟巖體裂隙灌漿材料室內(nèi)篩選研究[28]，實驗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?，筆者進一步對此種配比材料的物理力學(xué)特性及耐候性進行了系統(tǒng)的室內(nèi)研究，同時與未摻加膨脹劑的情況進行了對比。

1 漿液及試塊制備

實驗中，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)，測試漿液的流動度及初凝、終凝速度。同時制備40mm×40mm×160mm和70mm×70mm×70mm兩種規(guī)格的棱柱體試塊，進行漿液結(jié)石體的物理力學(xué)特性及環(huán)境諸因素影響性實驗。

2 基本試驗

實驗首先對4種漿液的流動度、 標(biāo)準(zhǔn)稠度及凝結(jié)時間進行測定。采用JC/T 958—2005型測試儀， 參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測試漿液的流動度， 采用ISO9597—1898型標(biāo)準(zhǔn)稠度及凝結(jié)時間測定儀， 參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1346—2001測試漿液的凝結(jié)時間， 結(jié)果見表2。

表1 漿液及試塊制備

表2 漿液流動度、初凝和終凝速度測定

3 物理力學(xué)性質(zhì)實驗

3.1 結(jié)石體齡期強度試驗

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

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

3.2 結(jié)石體的耐凍融試驗

采用40mm×40mm×160mm規(guī)格試樣，DW-FL90型超低溫冷凍儲存箱，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個循環(huán)后，按照3.1所述方法，測試試樣的抗折、抗壓強度變化，每6個循環(huán)后觀察并做描述，測試結(jié)果見圖2。

圖2 凍融前后強度的變化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

采用ETH-1980-20-CP-AR型恒溫恒濕試驗機。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個周期后，按照3.1所述方法，測試試樣的抗折、抗壓強度變化，結(jié)果見圖3。

圖3 溫濕度循環(huán)前后強度的變化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

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，測試試樣的抗折、抗壓強度變化，結(jié)果見圖4。

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

3.5 結(jié)石體的耐堿性試驗

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，測試試樣的抗折、抗壓強度變化，結(jié)果見圖5。

圖5 耐堿前后強度的變化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

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，立即測試試樣的抗折、抗壓強度變化，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，測試試樣的抗折、抗壓強度變化，結(jié)果見圖7。

3.7 固化溫度對結(jié)石體強度的影響

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，測試試樣的抗折、抗壓強度變化，結(jié)果見圖8。

圖6 結(jié)石體經(jīng)水浸泡后強度的變化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)干強度的變化Fig.7 The changing of the strength before and after soaking (natural weathering)

圖8 固化溫度對結(jié)石體強度的影響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 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行實驗，所用的試驗儀器有JA5003A 電子天平、DHG恒溫干燥箱、JDM-1土壤相對密度儀、WH-1土壤濕度密度儀等，測試結(jié)果見表3。

3.9 結(jié)石體的收縮變形性試驗

采用ZL00261525砂漿膨脹收縮儀，參照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，測試結(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，測試棱柱體在1～30d的彈性波速，測試結(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

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

1) 1#、2#、3#和4#漿液都有較好的流動性，3#漿液的流動性最好，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度，特別是較好的早期強度，這對石窟巖體裂隙注漿，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。經(jīng)5個循環(huán)的安定性實驗后，4種試塊的抗壓強度都有不同程度的增長，其中1#、4#試塊的抗折強度稍有增加，2#、3#試塊的抗折強度略有降低。經(jīng)耐堿性實驗后，4種漿液結(jié)石體試塊的抗壓強度都有所增長，抗折強度略有降低。

4) 漿液結(jié)石體在水中浸泡24h后，4種試塊的抗折、抗壓強度微降。將4種試塊分別在50℃、100℃及150℃條件下固化8h后，其強度有的微增，有的微降，說明高溫條件對注漿材料的強度略有影響，不過這種特性對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，幾乎達到無收縮變形狀態(tài)。

6) 彈性波速測試結(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，波速也呈增長趨勢；1～7d時波速增長較快，之后增長緩慢；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；對比4種漿液結(jié)石體相應(yīng)時段的齡期強度，其變化與波速變化趨勢基本一致。

綜合以上對漿液及漿液結(jié)石體物理力學(xué)性能的測試與分析，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，這個過程也會越來越慢，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)生水合作用形成強度較高的β-CSHn和C2ASHn水化產(chǎn)物，這種作用在較短時間內(nèi)完成，這個過程對結(jié)石體強度增長做了很大的貢獻。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，同時摻加占總質(zhì)量10%的膨脹劑AEA，水灰比控制在0.50～0.60時，該種配比的材料具有良好的物理力學(xué)特性和強的耐環(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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