紅砂巖風(fēng)化機(jī)理及石刻保護(hù)綜述*

孫士宏，湯永凈

(1.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044；2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

1 紅砂巖風(fēng)化機(jī)理

1.1 干濕交替(循環(huán))機(jī)理

考慮到紅砂巖等石刻長(zhǎng)期處于干濕交替的環(huán)境作用下，對(duì)其耐久性非常不利，因此針對(duì)干濕交替環(huán)境下紅砂巖的性質(zhì)變化規(guī)律研究開展較多。張宗堂等采用湖南地區(qū)的樣本，以側(cè)限膨脹率為目標(biāo)函數(shù)，改變巖體經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)及干燥溫度，采用Sigmoid函數(shù)建立包含上述兩變量的側(cè)限膨脹率時(shí)程模型。李達(dá)朗等進(jìn)行了10次干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究脆性紅砂巖在不同條件下，孔隙率變化特征、破壞形式和聲發(fā)射特征，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)主要對(duì)巖石內(nèi)部孔隙發(fā)展和破壞膠結(jié)作用有一定貢獻(xiàn)，是導(dǎo)致風(fēng)化的原因。王超提出，固結(jié)壓縮等試驗(yàn)表明，紅砂巖風(fēng)化土的強(qiáng)度和干濕循環(huán)次數(shù)及幅度有著密切關(guān)系，并分析了其內(nèi)在原因。李剛利用單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)等，得到不同循環(huán)次數(shù)下的巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線，并建立累積損傷本構(gòu)模型。徐志華等分析不同干濕作用下紅砂巖的波速演化規(guī)律，提出了基于黏聚力的損傷變量模型。趙勇剛等利用干濕循環(huán)的對(duì)照試驗(yàn)，對(duì)紅砂巖風(fēng)化前后的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，并回歸得到荷載與聲發(fā)射累計(jì)數(shù)的數(shù)學(xué)曲線。姚華彥等對(duì)干濕交替循環(huán)的巖石進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，得到其彈性模量、黏聚力、單軸和三軸抗壓強(qiáng)度等物理量，并進(jìn)行比較，表明其力學(xué)性質(zhì)都有不同程度的降低。

另外，巖石在遇水后可能失去黏結(jié)力，甚至完全喪失強(qiáng)度，變?yōu)椴痪哂袕?qiáng)度的松散物質(zhì)，稱為巖石的崩解。對(duì)石在干濕循環(huán)下崩解性的規(guī)律，也有學(xué)者進(jìn)行研究。林志紅等通過微觀結(jié)構(gòu)、宏觀裂縫特征、化學(xué)組成方面，對(duì)紅砂巖的崩解及軟化機(jī)理進(jìn)行探討。趙福登利用室內(nèi)外試驗(yàn)和PFC三維顆粒流，建立紅砂巖的崩解破碎級(jí)配曲線演化模型。尹利潔等在自制崩解速率測(cè)定儀器的幫助下，結(jié)合X射線衍射等試驗(yàn)，采用抗轉(zhuǎn)動(dòng)顆粒接觸模型對(duì)崩解過程進(jìn)行模擬。張宗堂等則利用Weibull分布，建立紅砂巖的崩解破碎級(jí)配曲線演化模型。各學(xué)者建立的紅砂巖干濕交替風(fēng)化數(shù)學(xué)模型如表1所示。

表1 紅砂巖干濕交替循環(huán)機(jī)理研究模型

1.2 有機(jī)酸腐蝕機(jī)理

由于空氣中所含有的二氧化硫、氮氧化物等物質(zhì)和酸雨等外界酸性介質(zhì)會(huì)對(duì)巖體產(chǎn)生不同程度的腐蝕作用，因此我國(guó)學(xué)者也進(jìn)行了該方面的研究。閆斌以廣州農(nóng)講所舊址上的石柱為研究對(duì)象，進(jìn)行了一定的取樣試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)廣州地區(qū)經(jīng)常性的酸雨和紅砂巖表面大量吸收的二氧化碳是導(dǎo)致其風(fēng)化的主要原因。蔣曉東等通過采集廣東各地的紅砂巖樣本進(jìn)行研究，證實(shí)了有機(jī)酸的濃度是影響紅砂巖風(fēng)化程度的重要因素，并闡述了風(fēng)化過程中有機(jī)酸起到的重要作用，為紅砂巖預(yù)防風(fēng)化提供了理論基礎(chǔ)。楊煊宇利用紅砂巖浸入不同溶液中，經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)定其縱波波速，得到影響紅砂巖劣化的程度為鹽分>酸>堿>純水。Liu等提出了一種新的雙回轉(zhuǎn)崩解試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)具有最小的人工干擾性，可更好地關(guān)聯(lián)崩解特性，提高試驗(yàn)的重現(xiàn)性，并增加測(cè)試的易用性，基于此方法，研究了不同酸和鹽作用條件下的紅砂巖耐久性問題，并總結(jié)了多種酸和鹽在砂巖破碎、崩解、變質(zhì)方面的機(jī)理。

1.3 凍融循環(huán)作用機(jī)理

凍融作用指的是水分將沿著毛細(xì)孔道向巖石內(nèi)滲透；當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，其中的水分結(jié)成冰，產(chǎn)生膨脹，應(yīng)力較大時(shí)，巖石出現(xiàn)裂縫。巖石表面和內(nèi)部所含水分凍結(jié)，融化交替出現(xiàn)，稱為凍融循環(huán)。戎虎仁等利用伺服壓力機(jī)對(duì)巖石開展壓縮試驗(yàn)，探究?jī)鋈诖螖?shù)對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，并發(fā)現(xiàn)隨著次數(shù)的增加，內(nèi)部損傷加劇，極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)度下降。董浩等所做試驗(yàn)與前者類似，用高清攝像機(jī)記錄了巖石裂縫開展和巖體破壞過程，并發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增加，巖體破壞由拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔艋旌掀茐模詈笞優(yōu)榧羟衅茐摹ｊ愃莺降壤萌郎貎鋈谘h(huán)試驗(yàn)儀，模擬自然條件進(jìn)行單向凍融，揭示了在含水率和凍融次數(shù)變化下砂巖的變形規(guī)律。沈世偉等測(cè)定凍融前后的質(zhì)量、縱波波速和單軸抗壓強(qiáng)度，并研究其變化程度。曹新宇等取山西某地的古磚進(jìn)行凍融破壞抗壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)在20次左右時(shí)，古磚的開裂荷載和破壞荷載較大，但其強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)出上升段和下降段，與前述研究只有下降段的規(guī)律不同。

1.4 生物作用

生物作用主要指的是微生物或生長(zhǎng)在巖石表面、扎根在巖石內(nèi)部的植物對(duì)巖石風(fēng)化具有一定的促進(jìn)作用。早在2003年，陳杰等就針對(duì)南極地區(qū)的地衣對(duì)巖石風(fēng)化的影響展開研究，并提出地衣會(huì)以物理和化學(xué)方式參與巖石基質(zhì)的風(fēng)化，促進(jìn)或誘導(dǎo)巖石風(fēng)化。邵明申等針對(duì)承德避暑山莊及周圍的建筑石刻文物展開調(diào)查，發(fā)現(xiàn)巖石潮濕處生長(zhǎng)著苔蘚和地衣，并有昆蟲巢穴，也會(huì)加速巖石風(fēng)化。戎巖聚焦于關(guān)中地區(qū)的砂巖風(fēng)化原因，提出砂巖表面的草和苔蘚其根系在巖石裂縫中生長(zhǎng)，導(dǎo)致巖體風(fēng)化破裂。

1.5 外部表層剝落機(jī)理

紅砂巖在受到物理、化學(xué)或生物作用后，易導(dǎo)致外部巖石表層剝落，從而導(dǎo)致內(nèi)部巖石風(fēng)化。針對(duì)紅砂巖剝落導(dǎo)致風(fēng)化機(jī)理的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者皆有一定研究成果。朱萬成等利用RFPA(radio frequency power amplifier)程序模擬出巖體破碎過程，并研究其在動(dòng)態(tài)荷載作用下的剝落情況，并取得了一定精度。李宏松則對(duì)比了北京西黃寺和柬埔寨周薩神廟的巖石材料，發(fā)現(xiàn)周薩神廟之所以風(fēng)化更嚴(yán)重，是其材性較差、生物活動(dòng)更加頻繁和環(huán)境降雨導(dǎo)致。楊志法等利用三維激光掃描儀，測(cè)量了多組巖石風(fēng)化剝落的程度，并以此為依據(jù)，評(píng)價(jià)其在長(zhǎng)期作用下的抗風(fēng)化能力，并通過試驗(yàn)測(cè)試證明了古人發(fā)明的蠣灰勾縫條抵抗風(fēng)化的能力要高于被勾縫的砌塊。周駿一在對(duì)樂山大佛損毀情況進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)主要是由于風(fēng)吹日曬和佛身滲水導(dǎo)致其風(fēng)化嚴(yán)重，而直接原因是佛身的表面剝落。

2 紅砂巖石刻保護(hù)的技術(shù)研究

目前我國(guó)紅砂巖石刻的保護(hù)現(xiàn)狀不容樂觀，我國(guó)石刻保護(hù)與修復(fù)工作從21世紀(jì)開始形成完善的理論體系，并應(yīng)用于實(shí)踐。而關(guān)于修復(fù)材料的探究主要依托石刻研究院，對(duì)破損文物進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)研究。

筆者認(rèn)為，針對(duì)紅砂巖石刻的技術(shù)保護(hù)，基于紅砂巖風(fēng)化機(jī)理，主要包括鑒定與加固兩部分，在鑒定方面，廖顏萱利用巖芯檢測(cè)的方法，基于4 000組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)巖石的主要性質(zhì)如巖石質(zhì)量指標(biāo)、吸水率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作回歸曲線并驗(yàn)證其精度，初步得到各指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，其關(guān)于巖體風(fēng)化帶量化研究為工程實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)；在進(jìn)一步研究中，將容重γ作為巖石風(fēng)化的關(guān)鍵因素，對(duì)7種常見巖石的一萬多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理研究，得到巖石指標(biāo)與容重的相關(guān)性回歸方程，將影響巖石風(fēng)化的各類主要指標(biāo)歸于容重，簡(jiǎn)化各類指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)工程實(shí)踐中巖石風(fēng)化的分類和發(fā)展研究具有重要參考價(jià)值。Josep Gisbert Aguilar等選取原始采石場(chǎng)樣本，分析孔隙特征與巖石病害發(fā)展的聯(lián)系，解釋了巖石風(fēng)化出現(xiàn)在歷史建筑而非新建筑的原因，對(duì)應(yīng)于病害機(jī)理研究中干濕交替作用下孔隙變化規(guī)律研究，另外，研究了尺寸變化而導(dǎo)致的巖石病理，描述了液態(tài)水的侵入和水蒸氣吸附對(duì)巖石的尺寸變化影響，這些對(duì)了解所研究巖石的尺寸變化機(jī)制具有重要意義，也對(duì)巖石損傷鑒定提供了依據(jù)。Gregory A.Pope等主要研究了地貌、地質(zhì)對(duì)巖石風(fēng)化的影響，通過對(duì)近期文獻(xiàn)的回顧和案例研究，說明巖石風(fēng)化研究在方法和理論方面取得進(jìn)展，對(duì)文物保護(hù)人員來說，實(shí)驗(yàn)室研究和自然環(huán)境研究在評(píng)估石頭損壞方面是否真具有相似性和實(shí)用性，對(duì)地貌學(xué)家來說，文化石資料是否與自然環(huán)境有真正關(guān)聯(lián)，這些都是未來研究和辯論的問題。

在對(duì)紅砂巖加固研究中，周萍等將石刻的病害主要?dú)w納為由于風(fēng)化引起的裂縫、環(huán)境導(dǎo)致的表面泛鹽、表面粉化剝落、應(yīng)力裂縫等，并針對(duì)成都彭州龍興寺的石刻提出了保護(hù)修復(fù)和加固方案。EI-Gohary認(rèn)為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是修復(fù)工程中主要參數(shù)之一，通過提高礦物顆粒與晶體之間的結(jié)合有利于提高材料強(qiáng)度，為巖石的修復(fù)提供了新思路。丁梧秀等則提出了一種新型的化學(xué)加固材料CRS，這種材料首先會(huì)生成反應(yīng)物填充孔隙，之后利用羥基反應(yīng)達(dá)到加固目的，并通過試驗(yàn)證明了其對(duì)紅砂巖保護(hù)的積極作用。Daniela Rizzo等通過將疏水涂層覆蓋在石材表面，提出了一種新的保護(hù)與修復(fù)方案。Xu等根據(jù)X射線熒光光譜分析、X射線衍射、紅外射線分析等手段分析的結(jié)果，提出一個(gè)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)計(jì)劃，包括清潔和整合步驟，以確定最合適的材料和方法來消除地衣等對(duì)巖石性能的影響。

3 結(jié)語

本文為“同濟(jì)”石刻修復(fù)的前期工作，對(duì)紅砂巖風(fēng)化機(jī)理及石刻保護(hù)做了文獻(xiàn)調(diào)研和綜述。現(xiàn)有的紅砂巖風(fēng)化機(jī)理模型主要依據(jù)半經(jīng)驗(yàn)半理論方式，考慮單一因素影響分析確定風(fēng)化程度，缺乏系統(tǒng)完備的理論闡述、機(jī)理解釋和試驗(yàn)方法。此外，針對(duì)生物作用和人為作用致風(fēng)化機(jī)理的定量解釋尚不充分。各國(guó)學(xué)者利用不同的化學(xué)材料或物理方法，在紅砂巖保護(hù)修復(fù)上取得了一定成果。但各種各樣的修復(fù)方案針對(duì)性較強(qiáng)，適用性不足，還需進(jìn)行更廣泛的試驗(yàn)。