羅漢堂周邊及龍王廟溝洞窟裂隙灌漿材料試驗研究

馮美生 葉倩華 張紅珠 王成 周新宇

（1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.山西大同大學，山西 大同 037000；3.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110000）

云岡石窟開鑿于大同武州山南麓、武州川北岸，現(xiàn)存大小窟龕254個、造像51000余尊，展現(xiàn)了典型的皇家造像風范和鮮明的民族特色，對我國石窟藝術的創(chuàng)新和發(fā)展有著重大貢獻，具有其他早期石窟不可替代的科學、歷史、藝術價值。云岡石窟于1961年被列為第一批全國重點文物保護單位，2001年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》。其中，羅漢堂周邊及龍王廟溝洞窟位于云岡石窟群中部，屬第5、6窟的附窟，共計28個洞窟，是云岡石窟北魏晚期石窟的典型代表，對龍門石窟以及后世石窟的開鑿影響深遠。但1500多年以來在地質(zhì)構造和風化等綜合因素的影響作用下，羅漢堂及其周邊洞窟的巖體裂隙、層間裂隙和風化裂隙極度發(fā)育，裂隙的發(fā)育發(fā)展造成了巖體內(nèi)力的重分布和應力集中，同時在滲漏水、大氣、風、凍融等因素的綜合作用下加速了破碎巖體的風化，并誘發(fā)巖體的深層風化而形成惡性循環(huán)，不利于文物本體的長期保存。因此，必須對羅漢堂及其周邊洞窟內(nèi)巖體裂隙進行治理，同時參考其他石窟治理的經(jīng)驗和成功案例，選擇采用裂隙灌漿的方法進行裂隙治理。

國內(nèi)外許多學者已經(jīng)對裂隙灌漿材料在文物保護和巖土工程方面進行了大量的研究。孫兵等針對龍門石窟的裂隙病害，采用超細水泥、水性環(huán)氧樹脂、納米復合材料和聚氨酯這三種材料通過試驗進行比較，綜合選取最佳灌漿材料。張良帥等根據(jù)云岡石窟砂巖的劣化機理和保護原則，選出丙烯酸鹽彈性凝膠（AMC-E）、正硅酸乙酯（Remmers300）、乙基硅酸鹽（TOT）、纖維素酯類聚合物（ZB-WB-S）四種石質(zhì)文物加固材料開展云岡石窟砂巖樣品加固試驗，結(jié)果表明了丙烯酸鹽彈性凝膠材料能很好地滲透到文物中，具有優(yōu)良的保護性能。趙林毅等基于對仰韶水泥的研究，通過室內(nèi)研究在燒料礓石水硬石灰中添加不同比例偏高嶺土和膨脹劑（AEA）后漿液的基本性能，初步篩選出了適宜砂巖石窟裂隙加固的灌漿材料及配比，認為燒料礓石水硬石灰、偏高嶺土、石英砂的最佳質(zhì)量比為1∶0.6∶0.4，對應的最佳水灰比為0.6。王捷等基于龍山石窟文物病害現(xiàn)狀，以偏高嶺土、硅粉及石灰石粉等為主要原料，制備出適宜于巖體裂隙灌漿的材料，并就灌漿實施效果進行應用檢測，論證了研制材料的可行性。Minto等研究了巴氏孢子孢菌通過尿素水解沉淀的碳酸鈣灌漿對細孔巖石裂隙的注漿效果。研究表明，在持續(xù)流動的條件下，微生物誘導的碳酸鹽沉淀可以成功地對裂縫進行注漿，當需要高水平的水力密封時，它可能是水泥基注漿和化學注漿的可行替代方案。

基于前人的大量研究以及現(xiàn)有石窟已應用的治理方案，針對羅漢堂周邊及龍王廟溝洞窟的裂隙病害治理，選擇裂隙灌漿的方法，采用偏高嶺土作為主料，并摻入少量的超細水泥，并使用堿激活劑，形成一種強度較低、抗?jié)B性及耐久性良好、對文物本體無負面影響的復合灌漿材料。通過對其黏度（流動性）、收縮變形性、抗?jié)B性及易溶鹽含量等性能的對比分析，初步得出灌漿材料的優(yōu)選配合比，再通過現(xiàn)場試驗對優(yōu)選配合比進行檢測，得到灌漿材料的最佳配合比，并形成了一套灌漿工藝流程，為同類石窟的裂隙病害治理提供了有效的研究方法和解決途徑。

1 裂隙灌漿材料選擇

1.1 灌漿材料主料選擇

偏高嶺土（MK）是高嶺土經(jīng)高溫脫水后形成的高活性的人工火山灰材料，主要成分為無水硅酸鋁（AlO·SiO）。一般認為在600～900℃形成的偏高嶺土具有較高的活性。當溫度超過980℃時，就會產(chǎn)生莫來石和方石英穩(wěn)定性的晶體，反而失去活性。偏高嶺土可與水硬石灰中的氧化鈣反應形成CaASiO，鋁硅酸鈣再經(jīng)過水化形成水化鋁硅酸鈣，即水泥石，能顯著提高漿液結(jié)石體的早期強度和穩(wěn)定性。

1.2 灌漿材料添加劑選擇

超細水泥（MFC）是高性能超微粒水泥基灌漿材料，具有良好的滲透性和可灌性，能夠滲透到細微的裂隙里，其灌漿效果與有機化學灌漿液相似。因此，選擇超細水泥作為添加劑使得灌漿料的性能更良好。本次試驗使用超細水泥的比表面積在800m/kg以上，平均粒徑10μm以下，這樣漿液流動性好、穩(wěn)定性及可灌性高。但因為水泥材料自身存在許多不足，故本次試驗超細水泥用量控制在20%以下。

1.3 灌漿材料激活劑選擇

偏高嶺土在堿激活劑（Alkali Activator）作用下，可以形成以鋁硅酸大分子鏈聚合物。偏高嶺土將活潑的堿金屬離子固化到聚合物中，減少鉀和鈉離子的析出，避免出現(xiàn)泛鹽堿的現(xiàn)象。雖然偏高嶺土能消耗大量水泥產(chǎn)物中的甲烷，提高水泥耐久性及抗碳化能力，但是水泥中石膏的負面作用依然存在，因此要嚴格控制水泥用量在20%以下。

2 最佳配合比漿材篩選試驗

最佳配合比試驗使用偏高嶺土、超細水泥和其他輔料作為灌漿材料，通過每種材料所摻和量比例的不同，對其黏度（流動性）、收縮變形性、抗?jié)B性及易溶鹽含量等方面進行對比分析，得到適合石窟裂隙治理灌漿料的最佳配合比。

2.1 試驗內(nèi)容及標準

試驗從灌漿材料的黏度（流動性）、收縮變形性、抗?jié)B性及易溶鹽含量等方面確定灌漿材料的性能。黏度（流動性）試驗按照中華人民共和國國家標準GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試；收縮變形性試驗按照中華人民共和國行業(yè)標準JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行測試，測試巖樣28天或7天齡期的收縮變形；抗?jié)B性試驗按照中華人民共和國行業(yè)標準DL/T5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》進行測試，養(yǎng)護齡期為28天；易溶鹽含量試驗按照中華人民共和國行業(yè)標準JTJ-051-93《公路土工試驗規(guī)程》進行測試。

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 黏度（流動性）

與一般無機漿體材料類似，水灰比是影響復合材料黏度最明顯的參數(shù)。但除了水灰比，超細水泥及堿激活劑用量對其也有一定影響。圖1為超細水泥摻量（超細水泥占超細水泥及偏高嶺土總量質(zhì)量百分比）與黏度之間的關系圖。由圖1可知，超細水泥摻量小于10%時，黏度主要由偏高嶺土來控制，達到15%時，黏度隨超細水泥的用量而增高，主要是因為在該用量時，兩種活性材料比較容易相互反應，雖然增加了灌漿阻力，但卻有利于初期凝固的形成。當超細水泥用量達到20%時，黏度反而降低，即超細水泥對初期反應有一定抑制作用，但后期強度卻影響不大。

圖1 超細水泥摻量與黏度之間的關系圖

2.2.2 收縮變形性

灌漿材料的固化過程中的收縮變形是影響灌漿效果的一個關鍵因素，材料的收縮變形與用水量有密切關系外，偏高嶺土與超細水泥復合材料的收縮變形與激活劑摻量有密切關系。圖2為不同水灰比下試樣收縮率對比圖，圖3為水灰比為0.75時不同激活劑下試樣收縮率對比圖。由圖2可知，收縮性與材料的水灰比的增加基本呈線性增加關系，但總體收縮率不大，最大為0.42%。收縮主要發(fā)生在7d以內(nèi)，7d以后收縮幅度變化較小。其中水灰比為0.65的試樣在28d的收縮率小于7d數(shù)值，其余水灰比的試樣28d的收縮率均大于7d的收縮率。這種情況說明，試樣的水灰比為0.65時，試樣后期出現(xiàn)了輕微膨脹，試樣硬化膨脹可以提高灌漿材料的密實度及與巖體之間黏結(jié)性能。由圖3可知，當水灰比均為0.75，不摻入激活劑時，試樣收縮率較高，但仍然滿足試驗要求。在添加激活劑后，收縮率減少約一半。表明添加激活劑對試樣的收縮率有明顯的降低作用。當激活劑用量2%、3%時，28d的收縮率較7d要低，表明試樣后期出現(xiàn)了輕微膨脹，這樣的膨脹能增加灌漿材料的密實性。

圖2 不同水灰比下試樣收縮率對比圖

圖3 不同激活劑下試樣收縮率對比圖（水灰比=0.75）

2.2.3 抗?jié)B性

良好的抗?jié)B性是裂隙灌漿材料一個基本要求，也是評價灌漿效果的重要指標之一。如果灌漿材料的抗?jié)B性較差，那么灌漿的效果就會大打折扣，甚至有可能繼續(xù)滲水，會縮短文物修復材料的使用壽命，還有可能會增加鹽堿的程度。圖4為水灰比控制0.75、超細水泥與激活劑用量對滲透系數(shù)關系圖。由圖4可知，各試樣的滲透系數(shù)的數(shù)量級均為10cm/s，基本達到抗?jié)B要求；提高超細水泥用量會導致試樣的滲透系數(shù)增加；當激活劑用量大于1%時，試樣的滲透性也將增加。因此，從提高強度上看，適當增加超細水泥用量是必要的，但從提高抗?jié)B性能上，應適當提高偏高嶺土的用量；材料的滲透性與強度受激活劑影響基本類似，建議控制在1%以內(nèi)。

圖4 超細水泥與激活劑用量對滲透系數(shù)關系圖（水灰比=0.75）

2.2.4 易溶鹽含量

材料中含鹽量的多少對巖體泛鹽堿現(xiàn)象的產(chǎn)生有直接的關系，因此需要對材料進行含鹽量測定。在激活劑用量為1%，水灰比為0.75的條件下，對超細水泥含量為15%和20%的試樣（編號分別為PC15和PC20）進行易溶鹽含量的測定，并與同樣水灰比超細水泥漿體的含鹽量對比。表1為不同配比試樣易溶鹽含量測試結(jié)果。由表1可知，超細水泥漿體的含鹽總量為34.947g/kg，而以偏高嶺土與超細水泥混合材料為主劑的配方中，試樣的易溶鹽含量為4.340～4.979g/kg，僅為超細水泥硬化漿體易溶鹽含量的12.4%～14.2%。特別是鈣離子、鉀離子和鈉離子含量明顯降低，這是因為在偏高嶺土激活過程中，上述離子參與了固化反應，形成不可溶晶體一部分。這樣大幅度降低了可溶鹽對文物本體的破壞可能性。三種漿體中的Cl為0.067～0.135g/kg，均比較低，但是在偏高嶺土與超細水泥混合材料為主劑的兩種配方中，SO的含量分別為1.613和1.824g/kg，而超細水泥漿體中SO的含量只有0.605g/kg。通過以上對比可知，以超細水泥加偏高嶺土為活性材料的灌漿料，具有較好的強度與抗?jié)B性，遠低于水泥的析鹽量，與裂隙中泥質(zhì)與鈣質(zhì)充填具有良好的黏結(jié)性的材料，具有較好的材料性能及適用性。

表1 不同配比試樣易溶鹽含量測試結(jié)果圖

3 現(xiàn)場灌漿試驗

3.1 灌漿材料及工藝流程

針對羅漢堂周邊及其龍王廟溝洞窟的地質(zhì)條件和工程地質(zhì)特性，結(jié)合室內(nèi)試驗對灌漿材料的黏度（流動性）、收縮變形性、抗?jié)B性及易溶鹽含量等方面對比分析的結(jié)果，選用超細水泥加偏高嶺土為活性材料的灌漿料進行現(xiàn)場灌漿試驗。灌漿的工藝流程為文物本體的防護（對灌漿裂隙以外的文物本體進行防護防止污染）、清潔裂面（使用蒸汽或壓縮空氣清潔）、布設灌漿管（根據(jù)裂隙張開度、分布情況以及灌漿料性質(zhì)進行布置）、封縫（用環(huán)氧樹脂配制的膠泥依次對裂隙進行封堵）、灌漿（選擇泵送、人工注射器注射等方式將漿料壓進巖石裂縫）、做舊（盡量與文物本體貼合）。

3.2 裂隙灌漿效果檢測與評價

灌漿加固是處理裂隙最常用的技術方法，也是石質(zhì)文物保護和修復過程中不可缺少的技術手段。灌漿的質(zhì)量及其效果的好壞需要通過一定的評價指標來衡量，通常待灌漿后漿液和巖體充分黏結(jié)后，可以通過無損和鉆孔取樣兩種途徑對裂縫灌漿體進行檢測，評價其灌漿效果。

對于一些大型構造裂隙及大規(guī)模灌漿加固區(qū)域，灌漿的主要目的為封閉充填裂隙、減緩裂隙風化速度，灌漿效果可以采用地質(zhì)雷達探測或裂隙灌漿飽滿度來評測；對于一些小型淺層裂隙及文物本體附近裂隙灌漿，可利用超聲波法、電阻率微測深法、探地雷達為主要技術手段進行檢測，通過與灌漿之前裂隙位置探測結(jié)果對比分析，根據(jù)不同地球物理方法反映的裂隙異常形態(tài)、裂隙異常范圍進行定性或定量評價。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)最佳配合比篩選試驗，可得到以下結(jié)論：①當超細水泥、偏高嶺土、堿激活劑以質(zhì)量的最佳配合比為1∶0.15∶0.01作為巖體裂隙灌漿的材料時，水灰比控制在0.4～0.65為宜。②堿激活劑的摻量控制在1%左右，在不影響漿液其他性能的前提下，可以降低試樣的收縮率。

超細水泥、偏高嶺土以最佳配合比混合后摻加不同量的激活劑，將水灰比控制在一定范圍內(nèi)，其制成的漿液結(jié)石體的各種性能都有明顯改善。當激活劑的摻量為1%時，其漿液結(jié)石體滲透性提高，收縮率降低，裂隙灌漿時可以起到很好的加固效果。這種配比的材料適合用于砂巖石窟裂隙的灌漿加固處理。