巴中地區(qū)砂巖水巖作用飽水特性及孔隙率變化研究

石質(zhì)文物通常以砂巖居多，巴中南龕石窟砂巖長期經(jīng)受日曬、風蝕、雨淋等水巖循環(huán)侵蝕及酸雨侵蝕作用，研究此環(huán)境下砂巖物理特性是必要的。對巴中地區(qū)砂巖開展酸性環(huán)境下砂巖干濕循環(huán)作用模擬試驗，探究了砂巖飽和吸水特性及孔隙率變化，結(jié)合SEM圖像分析了微觀層面下砂巖在酸性環(huán)境及中性環(huán)境下形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明：巴中地區(qū)砂巖在酸性環(huán)境干濕循環(huán)作用下飽和吸水率及孔隙率均符合負指數(shù)函數(shù)趨勢變化，且酸性環(huán)境越強，對應指標的變化越強；SEM圖像表明，在干濕循環(huán)作用下，巴中砂巖在中性環(huán)境下孔隙增多，酸性環(huán)境下還出現(xiàn)大量微裂紋，孔隙更連通。

砂巖； 干濕循環(huán)； 飽和吸水率； 孔隙率； SEM

TU452A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-02-20

［作者簡介］滕強（1998—），男，碩士，研究方向為特殊巖土。

0" 引言

石窟文化是華夏文明與佛教文化共同孕育的藝術結(jié)晶。石質(zhì)文物通常以砂巖居多，如印度凱拉薩神廟、柬埔寨巴戎寺、國內(nèi)的敦煌莫高窟、龍門石窟、云岡石窟等，砂巖本身分布較廣、硬度較低、易于雕刻，廣泛應用在世界石質(zhì)文物營造過程中。但砂巖在成巖過程中沉積環(huán)境、賦存環(huán)境各有不同，不同區(qū)域砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及礦物成分存在差異，在物理特性的表現(xiàn)上也存在明顯區(qū)別。而南龕石窟地區(qū)所賦存砂巖長期經(jīng)受日曬、風蝕、雨淋等水巖循環(huán)侵蝕作用。南龕石窟地區(qū)位于我國西南酸雨區(qū)內(nèi)，在二十一世紀以前酸雨的發(fā)生頻率較大，近年內(nèi)雖該地區(qū)遭遇酸雨的幾率較小，但水巖循環(huán)作用是一種長期性的過程，酸雨對水巖循環(huán)的影響不容忽略，因此對此環(huán)境下砂巖的巖石特性進行研究十分必要。

目前國內(nèi)外對水巖作用方面均取得很多研究成果，A.Hutchinson等［1］通過鹽酸、硫酸模擬環(huán)境試驗，對石灰石在酸雨腐蝕后的力學性質(zhì)弱化機制進行了研討；H. L. Stück 等［2］通過現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗對德國中部的薩勒地區(qū)砂巖進行水巖作用下巖石物理性質(zhì)以及風化行為的研究。巫錫勇等［3］通過黑色頁巖水巖作用流通試驗，得出水巖作用是使地表巖層形態(tài)和功能性質(zhì)化成變化的主要因素之一，其本質(zhì)是各種水介質(zhì)與巖體中各組成礦物發(fā)生物理化學反應的過程。劉新榮等［4］總結(jié)出水巖相互作用過程中，水處于地下或地表的賦存狀態(tài)會被巖石改變，同時水自身也會形成對巖石的反復侵蝕作用，進而得出巖石劣化的形成機理及其物理力學性質(zhì)變化的部分規(guī)律。張梁［5］開展了酸性侵蝕條件下干濕循環(huán)作用泥質(zhì)砂巖的物理力學特性試驗，分析了干濕循環(huán)及酸溶液浸泡作用對泥質(zhì)砂巖微細觀結(jié)構(gòu)的影響效應，探討了泥質(zhì)砂巖的水-巖損傷機理。張景科等［6］以慶陽北石窟弱膠結(jié)砂巖為研究對象，分別設置凍融循環(huán)、干濕循環(huán)兩組單因素風化模擬試驗，得出水-巖頻繁作用導致的顆粒耦合關系改變是巖石劣化的關鍵。開展酸性環(huán)境下砂巖干濕循環(huán)作用試驗，對砂巖飽和吸水性變化進行探究，具有一定的科學意義。

1" 試驗方案

取與南龕石窟附近同一地層的未雕刻白龍組砂巖作為樣品對象。試驗前采用瑞士Proceq Pundit Lab超聲波檢測儀對砂巖試樣進行縱波波速測試，篩選出無原生裂隙、完整無磕碰且波速相近的試樣作為目標樣品進行干濕循環(huán)試驗，波速篩選范圍為1 900～2 200 m/s。試驗共分為三組，其中兩組為酸性環(huán)境pH為5、pH為3的稀硫酸溶液，另一組為pH=7中性環(huán)境去離子水作為對照，每組4個樣品，分別進行對應環(huán)境下的20次干濕循環(huán)。具體設計為：首先將砂巖試樣放入烘箱以105 ℃烘干24 h后，將其取出放入干燥皿冷卻至室溫，采用自由浸水法吸水48 h，之后將浸泡裝置放于真空飽水機以負壓持續(xù)抽真空4 h，保證試樣內(nèi)空氣完全被排出，完成飽和，此即為一次干濕循環(huán)過程；期間進行烘干質(zhì)量、飽和吸水率、孔隙率等指標的測算。

2" 試驗結(jié)果

2.1" 飽和吸水率變化

巖石吸水率是巖石本身重要的水理性質(zhì)，反映出巖石孔隙數(shù)量和大小、巖石是否容易潮濕和從孔隙中排除空氣等情況，吸水率越大，巖石表面越松軟，其工程性質(zhì)越差。飽和吸水試驗在干濕循環(huán)作用過程中完成，通過式（1）換算得到砂巖飽和吸水率：

ωsat=msat-msms×100%（1）

式中：ωsat為飽和吸水率，msat為試樣飽水質(zhì)量（g），ms為飽水試樣烘干24 h后的質(zhì)量（g）。

每組砂巖試樣在干濕循環(huán)作用過程中，均存在砂巖顆粒掉落現(xiàn)象，統(tǒng)計了不同環(huán)境干濕循環(huán)作用下每組飽和吸水率變化，每組均取平均值，結(jié)果如表1所示。

假設在干濕循環(huán)次數(shù)有限（N≤20）條件下，飽和吸水率ωsat與干濕循環(huán)次數(shù)N具有連續(xù)的函數(shù)關系，則對表1中數(shù)據(jù)進行擬合得出圖1，反映出飽和吸水率ωsat隨干濕循環(huán)次數(shù)N的變化規(guī)律。擬合表達式及相關系數(shù)R2在表2列出。

從表1可知，無論是pH為5或3的酸性環(huán)境還是pH為7的中性環(huán)境，砂巖飽和吸水率總體上均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而升高。首次干濕循環(huán)后pH=3組與pH=5組的飽和吸水率相近，均在4%左右，而pH=7組的為3.81%，低于酸性環(huán)境飽和吸水率約5%。三條曲線走勢均為由陡變緩，表明飽和吸水率的增加主要發(fā)生在干濕循環(huán)前期，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，飽和吸水率增加速率逐漸減少，每次循環(huán)后增加量也逐漸減少。在15次循環(huán)后三種pH下砂巖飽和吸水率幾乎穩(wěn)定，但經(jīng)歷20次干濕循環(huán)后pH=3組飽和吸水率達到5.77%，較pH=5組飽和吸水率5.64%略高，明顯高于pH=7組的4.76%，表明酸性環(huán)境對砂巖飽和吸水率的增加有明顯的促進作用。采用負指數(shù)函數(shù)模型擬合數(shù)據(jù)，相關系數(shù)較高，砂巖飽和吸水率與干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律符合負指數(shù)函數(shù)模型。

巖土工程與地下工程滕強： 巴中地區(qū)砂巖水巖作用飽水特性及孔隙率變化研究

2.2" 孔隙率變化

基于飽和吸水試驗得出的烘干質(zhì)量ms及飽水質(zhì)量msat，根據(jù)式（2）計算出飽水狀態(tài)下水的體積VW，即代表砂巖試樣孔隙體積，再由式（3）計算出孔隙率n，得出孔隙率結(jié)果如表3所示。再由表3數(shù)據(jù)繪制孔隙率n隨干濕循環(huán)次數(shù)N的變化圖像（圖2），并對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合表達式及相關系數(shù)R2在表4列出。

VW=msat-msρw（2）

n=VWπr2·h×100%（3）

式中：VW為飽水狀態(tài)下水的體積（cm3），ρw為水的密度（1 g/cm3），n為孔隙率，r為試樣地面半徑（2.5 cm），h為試樣高度（10 cm）。

由表3及圖2可知，砂巖孔隙率無論在pH為5或3的酸性環(huán)境下還是pH為7的中性環(huán)境下，總體上均隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加而增加。三組首次循環(huán)后孔隙率差別不大，但經(jīng)歷20次循環(huán)后增加量各有差異，pH=7組孔隙率由8.74%增至11.33%，孔隙率僅增大了2.59%，在三組中增加量最??；pH=5組孔隙率由9.15%增至13.41%，增加量為4.26%，超過pH=7組增加量的64%；而pH=3由9.02%增至13.69%，增加量最多，為4.67%，比pH=7組高出80%，比pH=5組高出9.6%，表明酸性環(huán)境促進了干濕循環(huán)作用下孔隙率的增加，且酸性越強，pH值越小對孔隙率變化的影響越大。曲線走勢上，三條曲線在上升過程中由陡變緩，表明孔隙率增加速率逐漸減小，干濕循環(huán)前期孔隙率增加量較大，后期孔隙率變化較小，孔隙率變化主要集中于前10次循環(huán)?？紫堵孰S干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律符合負指數(shù)函數(shù)模型，擬合相關系數(shù)較高。

結(jié)合烘干質(zhì)量、飽和吸水率與孔隙率的變化規(guī)律，可以看出三者之間存在一定關聯(lián)性。在干濕循環(huán)作用與酸性環(huán)境下，砂巖發(fā)生一系列水巖物理化學作用，使烘干質(zhì)量逐漸產(chǎn)生變化，同時這些水巖作用對砂巖內(nèi)外孔隙產(chǎn)生影響，使孔隙率逐漸增大，而孔隙率的增加又使砂巖在飽水過程中水溶液更容易浸入孔隙之間，更容易填充砂巖內(nèi)部孔隙，從而促進了飽和吸水率的增加。酸性越強，這些水巖作用更強烈，相對于中性環(huán)境，孔隙率、飽和吸水率受酸性環(huán)境的影響程度也約大。因此觀察干濕循環(huán)作用前后的砂巖孔隙裂隙差異是必要的

3" 結(jié)果分析

采用掃描電子顯微鏡對試驗前后的砂巖結(jié)構(gòu)進行觀察，具體為通過試驗前與pH=3、pH=5、pH=7各組干濕循環(huán)20次后的結(jié)構(gòu)進行比較，得出砂巖結(jié)構(gòu)的細觀變化。以試樣浸水表面為觀察面，儀器采用鎢燈絲掃描電子顯微鏡，得出各組500倍電鏡下SEM圖像，如圖3所示，反映了在pH=3、pH=5、pH=7水溶液環(huán)境下干濕循環(huán)20次后砂巖細觀結(jié)構(gòu)的改變。由圖3可知無論是酸性環(huán)境還是中性環(huán)境，砂巖表面的顆粒的大小、孔隙裂隙的分布，在20次干濕循環(huán)作用后均發(fā)生了較為明顯的形態(tài)改變。

（1）試驗前未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用下，砂巖細觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較好的均勻性和致密性。顆粒表面絕對大多數(shù)呈現(xiàn)扁平狀，孔隙很少，見圖3（a）。輪廓比較清晰，形貌差別不大，分布較為均勻，顆粒之間排列較為整齊與緊密，不存在較大孔隙。因此，初始狀態(tài)下孔隙率和飽和吸水率呈現(xiàn)最低。

（2）pH=7環(huán)境下20次干濕循環(huán)后：砂巖表面的細觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為明顯的形貌改變，由初始狀態(tài)下的扁平狀演變?yōu)槠瑺钚蚊?，并且出現(xiàn)大小不一的孔隙，較大孔隙明顯增加，逐漸出現(xiàn)微裂紋，此時顆粒之間雖仍較為緊密，但相對于初始狀態(tài)不在呈現(xiàn)較好的均勻性，見圖3（b）。

（3）pH=5環(huán)境下20次干濕循環(huán)后：砂巖表面不在呈現(xiàn)均勻性，孔隙之間已經(jīng)連通，形成多孔疏松的孔隙帶，微裂紋開始連通擴張，形成較長的裂隙，顆粒形態(tài)多樣包括散狀與片狀，分布較為散亂，見圖3（c）。

（4）pH=3環(huán)境下20次干濕循環(huán)后：砂巖表明不在呈現(xiàn)均勻性，隨酸性提高，孔隙帶較pH=5環(huán)境下更加疏松，孔隙比例明顯升高，微裂隙較長，見圖3（d）。pH=7環(huán)境下與pH=5或pH=3酸性環(huán)境下干濕循環(huán)作用之后，砂巖細觀表面形貌呈現(xiàn)有一定的差距。

4" 結(jié)論

（1）巴中地區(qū)砂巖在干濕循環(huán)作用下飽和吸水率及孔隙率逐漸增加，符合負指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，增加速率逐漸減小，在干濕循環(huán)前期飽和吸水率及孔隙率均增加較多，且酸性環(huán)境越強，在干濕循環(huán)作用下飽和吸水率增及孔隙率增加量越大。

（2）SEM微觀圖像表明巴中地區(qū)砂巖在不同環(huán)境干濕循環(huán)作用下發(fā)生了微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)方面的改變，未經(jīng)干濕循環(huán)作用下呈扁平狀形態(tài)、少孔隙，20次干濕循環(huán)作用后中性環(huán)境形孔隙增多，酸性環(huán)境下還出現(xiàn)大量微裂紋，孔隙逐漸連通。

（3）試驗結(jié)果有助于進一步了解巴中地區(qū)南龕石窟砂巖在溫度、水巖作用、生物作用等不同因素下的劣化機理，分析不同因素間作用規(guī)律， 為有針對性地對南龕石窟采取保護手段提供一定的基礎性資料。

參考文獻

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