紅砂巖風化機理及石刻保護綜述*

孫士宏，湯永凈

(1.北京交通大學交通運輸學院，北京 100044；2.同濟大學浙江學院，浙江 嘉興 314051；3.同濟大學土木工程學院，上海 200092)

1 紅砂巖風化機理

1.1 干濕交替(循環)機理

考慮到紅砂巖等石刻長期處于干濕交替的環境作用下，對其耐久性非常不利，因此針對干濕交替環境下紅砂巖的性質變化規律研究開展較多。張宗堂等采用湖南地區的樣本，以側限膨脹率為目標函數，改變巖體經歷的干濕循環次數及干燥溫度，采用Sigmoid函數建立包含上述兩變量的側限膨脹率時程模型。李達朗等進行了10次干濕循環試驗，研究脆性紅砂巖在不同條件下，孔隙率變化特征、破壞形式和聲發射特征，通過試驗發現，干濕循環主要對巖石內部孔隙發展和破壞膠結作用有一定貢獻，是導致風化的原因。王超提出，固結壓縮等試驗表明，紅砂巖風化土的強度和干濕循環次數及幅度有著密切關系，并分析了其內在原因。李剛利用單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗、劈裂試驗等，得到不同循環次數下的巖石應力、應變曲線，并建立累積損傷本構模型。徐志華等分析不同干濕作用下紅砂巖的波速演化規律，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的對照試驗，對紅砂巖風化前后的聲發射特性進行研究，并回歸得到荷載與聲發射累計數的數學曲線。姚華彥等對干濕交替循環的巖石進行單軸和三軸壓縮試驗，得到其彈性模量、黏聚力、單軸和三軸抗壓強度等物理量，并進行比較，表明其力學性質都有不同程度的降低。

另外，巖石在遇水后可能失去黏結力，甚至完全喪失強度，變為不具有強度的松散物質，稱為巖石的崩解。對石在干濕循環下崩解性的規律，也有學者進行研究。林志紅等通過微觀結構、宏觀裂縫特征、化學組成方面，對紅砂巖的崩解及軟化機理進行探討。趙福登利用室內外試驗和PFC三維顆粒流，建立紅砂巖的崩解破碎級配曲線演化模型。尹利潔等在自制崩解速率測定儀器的幫助下，結合X射線衍射等試驗，采用抗轉動顆粒接觸模型對崩解過程進行模擬。張宗堂等則利用Weibull分布，建立紅砂巖的崩解破碎級配曲線演化模型。各學者建立的紅砂巖干濕交替風化數學模型如表1所示。

表1 紅砂巖干濕交替循環機理研究模型

1.2 有機酸腐蝕機理

由于空氣中所含有的二氧化硫、氮氧化物等物質和酸雨等外界酸性介質會對巖體產生不同程度的腐蝕作用，因此我國學者也進行了該方面的研究。閆斌以廣州農講所舊址上的石柱為研究對象，進行了一定的取樣試驗之后，發現廣州地區經常性的酸雨和紅砂巖表面大量吸收的二氧化碳是導致其風化的主要原因。蔣曉東等通過采集廣東各地的紅砂巖樣本進行研究，證實了有機酸的濃度是影響紅砂巖風化程度的重要因素，并闡述了風化過程中有機酸起到的重要作用，為紅砂巖預防風化提供了理論基礎。楊煊宇利用紅砂巖浸入不同溶液中，經過一定時間測定其縱波波速，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崩解試驗方法，該試驗具有最小的人工干擾性，可更好地關聯崩解特性，提高試驗的重現性，并增加測試的易用性，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，并總結了多種酸和鹽在砂巖破碎、崩解、變質方面的機理。

1.3 凍融循環作用機理

凍融作用指的是水分將沿著毛細孔道向巖石內滲透；當溫度低于0℃時，其中的水分結成冰，產生膨脹，應力較大時，巖石出現裂縫。巖石表面和內部所含水分凍結，融化交替出現，稱為凍融循環。戎虎仁等利用伺服壓力機對巖石開展壓縮試驗，探究凍融次數對巖石強度的影響，并發現隨著次數的增加，內部損傷加劇，極易導致結構破壞和強度下降。董浩等所做試驗與前者類似，用高清攝像機記錄了巖石裂縫開展和巖體破壞過程，并發現隨著凍融次數的增加，巖體破壞由拉伸破壞轉變為拉剪混合破壞，最后變為剪切破壞。陳溯航等利用三溫凍融循環試驗儀，模擬自然條件進行單向凍融，揭示了在含水率和凍融次數變化下砂巖的變形規律。沈世偉等測定凍融前后的質量、縱波波速和單軸抗壓強度，并研究其變化程度。曹新宇等取山西某地的古磚進行凍融破壞抗壓試驗，發現凍融循環次數在20次左右時，古磚的開裂荷載和破壞荷載較大，但其強度曲線呈現出上升段和下降段，與前述研究只有下降段的規律不同。

1.4 生物作用

生物作用主要指的是微生物或生長在巖石表面、扎根在巖石內部的植物對巖石風化具有一定的促進作用。早在2003年，陳杰等就針對南極地區的地衣對巖石風化的影響展開研究，并提出地衣會以物理和化學方式參與巖石基質的風化，促進或誘導巖石風化。邵明申等針對承德避暑山莊及周圍的建筑石刻文物展開調查，發現巖石潮濕處生長著苔蘚和地衣，并有昆蟲巢穴，也會加速巖石風化。戎巖聚焦于關中地區的砂巖風化原因，提出砂巖表面的草和苔蘚其根系在巖石裂縫中生長，導致巖體風化破裂。

1.5 外部表層剝落機理

紅砂巖在受到物理、化學或生物作用后，易導致外部巖石表層剝落，從而導致內部巖石風化。針對紅砂巖剝落導致風化機理的研究，國內外學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，并研究其在動態荷載作用下的剝落情況，并取得了一定精度。李宏松則對比了北京西黃寺和柬埔寨周薩神廟的巖石材料，發現周薩神廟之所以風化更嚴重，是其材性較差、生物活動更加頻繁和環境降雨導致。楊志法等利用三維激光掃描儀，測量了多組巖石風化剝落的程度，并以此為依據，評價其在長期作用下的抗風化能力，并通過試驗測試證明了古人發明的蠣灰勾縫條抵抗風化的能力要高于被勾縫的砌塊。周駿一在對樂山大佛損毀情況進行研究時，發現主要是由于風吹日曬和佛身滲水導致其風化嚴重，而直接原因是佛身的表面剝落。

2 紅砂巖石刻保護的技術研究

目前我國紅砂巖石刻的保護現狀不容樂觀，我國石刻保護與修復工作從21世紀開始形成完善的理論體系，并應用于實踐。而關于修復材料的探究主要依托石刻研究院，對破損文物進行針對性修復研究。

筆者認為，針對紅砂巖石刻的技術保護，基于紅砂巖風化機理，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的方法，基于4 000組試驗數據，對巖石的主要性質如巖石質量指標、吸水率等進行統計分析，作回歸曲線并驗證其精度，初步得到各指標間的內在聯系，其關于巖體風化帶量化研究為工程實踐提供一定的理論依據；在進一步研究中，將容重γ作為巖石風化的關鍵因素，對7種常見巖石的一萬多組試驗數據進行整理研究，得到巖石指標與容重的相關性回歸方程，將影響巖石風化的各類主要指標歸于容重，簡化各類指標間的內在聯系，對工程實踐中巖石風化的分類和發展研究具有重要參考價值。Josep Gisbert Aguilar等選取原始采石場樣本，分析孔隙特征與巖石病害發展的聯系，解釋了巖石風化出現在歷史建筑而非新建筑的原因，對應于病害機理研究中干濕交替作用下孔隙變化規律研究，另外，研究了尺寸變化而導致的巖石病理，描述了液態水的侵入和水蒸氣吸附對巖石的尺寸變化影響，這些對了解所研究巖石的尺寸變化機制具有重要意義，也對巖石損傷鑒定提供了依據。Gregory A.Pope等主要研究了地貌、地質對巖石風化的影響，通過對近期文獻的回顧和案例研究，說明巖石風化研究在方法和理論方面取得進展，對文物保護人員來說，實驗室研究和自然環境研究在評估石頭損壞方面是否真具有相似性和實用性，對地貌學家來說，文化石資料是否與自然環境有真正關聯，這些都是未來研究和辯論的問題。

在對紅砂巖加固研究中，周萍等將石刻的病害主要歸納為由于風化引起的裂縫、環境導致的表面泛鹽、表面粉化剝落、應力裂縫等，并針對成都彭州龍興寺的石刻提出了保護修復和加固方案。EI-Gohary認為巖石的單軸抗壓強度是修復工程中主要參數之一，通過提高礦物顆粒與晶體之間的結合有利于提高材料強度，為巖石的修復提供了新思路。丁梧秀等則提出了一種新型的化學加固材料CRS，這種材料首先會生成反應物填充孔隙，之后利用羥基反應達到加固目的，并通過試驗證明了其對紅砂巖保護的積極作用。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與修復方案。Xu等根據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果，提出一個適當的保護計劃，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巖石性能的影響。

3 結語

本文為“同濟”石刻修復的前期工作，對紅砂巖風化機理及石刻保護做了文獻調研和綜述。現有的紅砂巖風化機理模型主要依據半經驗半理論方式，考慮單一因素影響分析確定風化程度，缺乏系統完備的理論闡述、機理解釋和試驗方法。此外，針對生物作用和人為作用致風化機理的定量解釋尚不充分。各國學者利用不同的化學材料或物理方法，在紅砂巖保護修復上取得了一定成果。但各種各樣的修復方案針對性較強，適用性不足，還需進行更廣泛的試驗。