溫度和濕度對文物砂巖修復材料強度的影響

王常明，徐巧宣，吳迪，等.溫度和濕度對文物砂巖修復材料強度的影響.吉林大學學報（地球科學版），2024，54（3）：933942. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220288.

Wang Changming，Xu Qiaoxuan，Wu Di，et al. Effect of Temperature and Moisture on the Strength of Restoration Materials for Cultural Relic Sandstone. Journal of Jilin University （Earth Science Edition） ， 2024，54（3）：933942. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220288.

摘要：

為了尋求一種合適的修復材料對砂巖質文物進行有效修復及保護，本文選取環氧樹脂、水硬性石灰5%、水硬性石灰12%等3種修復材料分別對砂巖試樣進行修復，并設定在不同恒溫溫度、凍融循環次數和飽和條件下測定砂巖試樣的抗拉強度和抗剪強度，研究修復后的砂巖試樣在不同溫度和濕度條件下的強度和耐久性。試驗結果表明：短時期（10余d）內，黏結巖樣受溫度影響并不顯著；在飽和條件下，巖樣的力學強度隨著飽和度的增大呈現降低的趨勢；使用環氧樹脂黏結的試樣抗拉與抗剪強度均高于2種水硬性石灰，水硬性石灰12%的黏結強度高于水硬性石灰5%；多次凍融后，環氧樹脂黏結巖樣的抗拉強度一直處于較高的水平。相對于其他兩種材料，環氧樹脂黏結具有更好的耐久性。

關鍵詞：

溫度；濕度；文物砂巖；修復材料；力學強度

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220288

中圖分類號：TU458

文獻標志碼：A

收稿日期：20221019

作者簡介：王常明（1966—）， 男， 教授， 博士生導師， 主要從事巖土工程和地質災害方面的研究， E-mail：wangcm@jlu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（41972267）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （41972267）

Effect of Temperature and Moisture on the Strength of Restoration Materials for Cultural Relic Sandstone

Wang Changming1，Xu Qiaoxuan1，Wu Di1，Wang Qingyu1，Huang Yu2，Guo Lanchang2

1. College of Construction Engineering， Jilin University， Changchun 130026， China

2. Liaoning Nonferrous Geology 101 Team Co.， Ltd.， Fushun 113005， Liaoning，China

Abstract：

In order to find a suitable restoration material for the effective restoration and protection of sandstone cultural relics， we selected

three kinds of restoration materials such as epoxy resin， water-hard lime in 5% and water-hard lime in 12%"" to discuss the strength and durability of restored cultural relic sandstone under the influence of temperature and humidity. By setting different temperature， freeze-thaw cycles and different saturation levels to simulate natural environment， the strength changes of the rock samples were analyzed using tensile strength and shear strength tests. The test results show that the rock samples are not significantly affected by temperature in a short period of time. Under the influence of humidity， the overall mechanical strength showed a decreasing trend. The strength of specimens bonded with epoxy resin is higher than that with water-hard lime， and the strength of bonding with water-hard lime in 12% is higher than that with water-hard lime in 5%. The tensile strength of the epoxy resin bonded rock sample is always at a high level during multiple freeze-thaw processes， which has better durability compared with the bonding of the other two materials.

Key words：

temperature; moisture; cultural relic sandstone; restoration materials; strength

0" 引言

在自然環境的長期影響下，文物砂巖會出現不同程度的風化，使用恰當的材料修復文物砂巖能夠有效地保護文物，延長文物壽命。我國川渝地區分布著大量砂巖質文物，文物的保護以及修復問題一直受到人們的廣泛關注與重視。在修復材料的選擇上，砂巖質文物的修復大多選擇石灰砂漿。目前，國內相關研究尚處于起步階段，有學者［13］研究發現，將水泥和粉煤灰加入到黏土中修復砂巖質文物，試樣后期的強度較高；然而經過一段時間后，由于水泥的黏結強度過大，被水泥修復過的文物對古建筑石質文物本體造成了更為嚴重的二次破壞，甚至出現了文物風化消失而水泥還存在的現象。環氧樹脂作為一種曾經被用作古建筑石質文物修復和加固的材料，自20世紀80年代開始被大量應用于石質文物的加固和修復［45］。但環氧樹脂經過紫外線照射后老化速度很快，因此對常受陽光照射的石質文物不可采用環氧樹脂修復。而摻入水泥的水硬性石灰具有強度適中、不含可溶性鹽、與石質文物兼容性好等優點，受到文物保護研究人員的廣泛關注。值得注意的是，修復材料的吸力變化和吸附水特征與外界環境濕度、溫度有關。探究環境影響下文物修復材料的變化特征，對于科學闡釋修復后的砂巖力學強度等問題具有十分重要的意義［6］。

對于砂巖質文物，在探究其強度的過程中，由于試驗中破壞巖石的方式大都由外到內，導致作為石質文物載體的巖石表層極易受到風化作用的影響，其中物理風化是普遍存在的［78］。砂巖受到溫度和濕度的影響較大，故砂巖質文物極易產生破損、變形或風化等由自然因素導致的損壞情況。高溫會導致巖石的物理力學性質發生改變，例如強度、質量損失率等，因此研究溫度與濕度對修復材料和砂巖的影響頗為重要［912］。有學者［13］通過改變干濕循環、凍融循環等外部條件研究砂巖或土體物理力學性質的變化。有學者［14］用修復材料黏結砂巖后，通過抗壓強度測試探究其強度與耐久性，并通過抗凍試驗發現水硬性石灰的抗凍性能良好，較傳統石灰砂漿強度明顯提高；另外，有學者［1516］通過將傳統巴西圓盤試驗與霍普金森壓桿試驗結合的方式研究巖石的動態劈裂抗拉強度的變化規律，認為峰值抗壓強度、黏聚力和內摩擦角也是考慮砂巖部分力學性質的重要因素。

總體而言，目前選擇的石灰質修復材料早期強度低，耐久性不足，阻礙了其發展和應用。在此背景下，本文選取3種不同的修復材料對四川省某地區的文物砂巖進行黏結，分別制備成直徑與高度基本相同的3組砂巖試樣。在以往研究的基礎上，通過不同溫度影響試驗、凍融循環試驗和飽和度影響試驗，研究恒溫溫度和濕度對3種不同修復材料強度的影響程度，并進一步將室內試驗理論與現場測試相結合，以期在砂巖質文物修復工作中選擇出更為合適的修復材料。

1" 材料與試樣制備

砂巖試樣取自四川省某文物佛像所在地。該地為亞熱帶季風性濕潤氣候，所取砂巖風化面呈黃褐色，天然密度為2.19 g/cm3。經由實驗室內切割、打磨，制成高度約50 mm、直徑約50 mm的圓柱形試樣。修復材料選取環氧樹脂、水硬性石灰5%（水泥與熟石灰質量比為1∶0.05）、水硬性石灰12%（水泥與熟石灰質量比為1∶0.12）。其中水硬性石灰5%與水硬性石灰12%由熟石灰、水泥、水按所需比例攪拌使其充分混合。試驗所需試樣分為劈裂形試樣與直剪形試樣兩種。將圓柱形砂巖分別沿徑向（圖1a）和橫向（圖1b）的中部切開，取適量修復材料（環氧樹脂、水硬性石灰5%、水硬性石灰12%）均勻薄涂在砂巖試樣橫截面，待其還未完全干燥時將兩部分進行黏結，靜置一段時間使其牢固，最終得到劈裂試樣與直剪試樣，用于抗拉強度試驗和抗剪強度試驗。

a. 劈裂試驗用試樣；b. 直剪試驗用試樣。

2" 試驗方案

將全部砂巖試樣分成3組，考慮溫度和濕度對修復材料黏結的文物砂巖的影響進行試驗（3組分別為溫度影響試驗、凍融循環試驗、飽和度影響試驗，標號分別為T、C、S），每組均由3種修復材料構成（分別為環氧樹脂、水硬性石灰5%、水硬性石灰12%），各包含2個劈裂試樣和3個直剪試樣，試驗分組情況詳見表1。

2.1" 溫度對文物砂巖修復材料的影響

在恒溫條件下，考慮溫度對修復材料黏結的文物砂巖的影響，對其進行不同溫度影響試驗。試驗所取文物砂巖所在地的溫差在46 ℃左右，因此設置-10、0、20（室溫條件）、50 ℃等4組恒溫溫度，將組別為T1、T2、T3、T4的砂巖試樣放置在溫控鼓風干燥箱中12 h使其充分受熱直至平衡。

在自然條件下，考慮天氣的溫度變化對修復后的文物砂巖持續性影響及修復材料的耐久性，對砂巖試樣進行凍融循環試驗。近10 a來該地區最高氣溫38 ℃，最低氣溫-8 ℃，平均氣溫約18 ℃。晝夜溫差變化較為明顯，持續高溫或持續低溫不超過10 h。因此綜合考慮自然條件，將砂巖試樣放入XT5405C有載土工凍融試驗箱中，溫度設置為-10～40 ℃、循環周期24 h（保持-10 ℃低溫12 h、40 ℃高溫12 h）。C1、C2分別為循環5次和10次試驗組。將T3組作為循環0次的試驗組。

2.2" 濕度對文物砂巖修復材料的影響

在自然條件下，考慮地區降雨等情況的發生，以及飽水程度對砂巖及其修復材料黏結性能的影響，對砂巖試樣進行完全干燥和完全飽和條件的試驗。將S組砂巖試樣放入真空飽和器中持續浸水24 h使其充分達到完全飽和。將T3組作為飽和度為0的試驗組。

2.3" 力學強度試驗方案

依次對進行溫度影響試驗、凍融循環試驗、飽和度影響試驗后的砂巖試樣進行力學試驗。利用巴西劈裂法間接測量試樣的抗拉強度，試驗設備使用WE10萬能試驗機，加荷速度為0.3 MPa/s，試驗參考規范為《巖石物理力學性質試驗規程》（DZ/T 0276.21—2015）［17］第21部分：巖石抗拉強度試驗。砂巖試樣的抗拉強度由式（1）計算得出。

σt=2pπDh。（1）

式中：σt為砂巖試樣抗拉強度，MPa；p為破壞荷載，N；D為砂巖試樣直徑，mm；h為砂巖試樣厚度，mm。

利用巖石直剪儀測量試樣的抗剪強度，試驗設備使用YZ30B數顯式巖石直剪儀，采用平推法，試驗參考規范為《巖石物理力學性質試驗規程》（DZ/T 0276.21—2015）［17］第28部分：巖體強度試驗（直剪試驗）。通過對試樣施加不同的法向應力間接得到其剪切強度，根據摩爾庫倫準則計算得出內摩擦角和內聚力。砂巖試樣的抗剪強度由式（2）計算得出。

τ=σtan φ+c 。（2）

式中：τ為砂巖試樣抗剪強度，MPa；σ為法向應力，MPa；φ為內摩擦角，（°）；c為內聚力，MPa。

同時，抗剪強度指標劣化率按照式（3）計算得出。

ε=pn-p0p0 。（3）

式中：ε為指標劣化率；pn為試驗處理后抗拉強度、內摩擦角和內聚力等3個指標的劣化率，下標n為試樣組號；p0為室溫對照組（T3組）3個指標的劣化率。

3" 試驗結果與分析

3.1" 力學強度試驗結果

通過抗拉強度試驗可以得到垂直壓力隨時間變化的曲線（圖2—4）。根據破壞曲線確定試樣峰值壓力，計算得出抗拉強度，抗拉強度的破壞荷載見表2。通過抗剪強度試驗可以得到試樣的抗剪強度包絡線（圖5—7）。利用最小二乘法對數據進行線性擬合，根據摩爾庫倫準則可以獲得試樣的內摩擦角和內聚力。不同抗剪強度試驗的峰值切向應力見表3。

由圖2—4可以看出，經3種修復材料黏結后的砂巖試樣在抗拉強度試驗中均呈現出脆性破壞。由圖5—7可知，在抗剪強度試驗中各試驗組數據點線性關系良好，R2大多在0.800 0以上。由表2、3可以明顯看出，使用環氧樹脂黏結試樣的強度要遠大于2種水硬性石灰材料，同時，不同飽和度對砂巖試樣的抗拉強度與抗剪強度影響較大。

3.2" 力學強度試驗破壞現象

試驗中劈裂試樣（圖8ac）均沿加載直徑方向破壞，且均呈現出脆性破壞。修復材料為環氧樹脂的試樣破壞后，在修復材料上會附著部分或一層砂巖，同時試樣破壞時有明顯的斷裂聲。出現此現象的原因可能是由于砂巖風化導致試樣抗拉能力較低，也可能由于試樣在試驗過程中受力不均勻導致。而修復材料為水硬性石灰5%和水硬性石灰12%的劈裂試樣基本在修復材料處完整裂開，并伴有微弱的斷裂聲。其中，在完全飽和條件下試樣內部劈裂面存在輕微凸起和凹陷，可能是由于修復材料黏結不平，加載過程中受力不均勻導致。

試驗中直剪試樣（圖8df）基本均在砂巖與修復

材料接觸面處破壞，且呈現脆性破壞。修復材料為環氧樹脂的試樣破壞時伴有明顯的斷裂聲，其他2種材料則有微弱的斷裂聲出現。部分試樣存在摩擦

劃

痕，并且能看到修復材料斷裂的現象。其中，在完全飽和條件下，由于各組砂巖試樣風化程度各不相同，部分試樣破壞時會伴有不同程度的縱向裂紋出現，其中修復材料為環氧樹脂的試樣受到的水平應力與法向應力較大，因此與其他2種修復材料黏結的砂巖試樣相比碎裂較為嚴重。

3.3" 溫度對文物砂巖修復材料的影響

從試驗結果（圖9a）可以明顯看出：在不同溫度恒溫條件處理下，修復材料為環氧樹脂的試樣抗拉強度與修復材料為2種水硬性石灰的試樣相比一直處于較高水平，而用2種水硬性石灰修復的試樣抗拉強度相差不大；相較于常溫，用2種水硬性石灰修復材料黏結的砂巖試樣抗拉強度隨溫度變化并沒有明顯的變化，但用環氧樹脂修復試樣在高溫和低溫狀態下的抗拉強度均升高。同時，在不同溫度恒溫處理后，用環氧樹脂修復的砂巖試樣內摩擦角和內聚力均大于用2種水硬性石灰修復（圖9b、c）。與常溫狀態下相比，用環氧樹脂修復后，試樣的內摩擦角在低溫和高溫條件下均存在不同程度的減小，但

在0 ℃時升高，用2種水硬性石灰修復材料黏結后，內摩擦角變化都不大；而用3種材料修復后，內聚力在不同溫度恒溫處理后變化均不顯著。

不同程度的減小，而內聚力在不同溫度恒溫處理后基本上變化不明顯。環氧樹脂修復的砂巖試樣在不同溫度狀態下，其抗拉強度變化幅度較大，其余兩種修復材料試樣則變化并不顯著（圖9b、c）。

由公式（3）計算得到3種修復材料抗拉強度、內摩擦角和內聚力的劣化率，詳見表4—6。可知，在恒溫條件下，用環氧樹脂、水硬性石灰5%、水硬性石灰12%黏結修復后的砂巖試樣抗拉強度最大劣化率分別為29.62%、-2.81%、12.34%，內摩擦角最大劣化率分別為-9.42%、-2.01%、-3.24%，內聚力最大劣化率則分別為-2.02%、-14.54%、-10.90%。可見，除環氧樹脂抗拉強度最大劣化率之外，其余最大劣化率之間均相差較小。

3.4" 凍融循環對文物砂巖修復材料的影響

在凍融循環試驗中，從試驗結果（圖10a）可以看出：修復材料為環氧樹脂的試樣抗拉強度與另外2種材料相比一直處于較高水平，基本穩定在1.38 MPa

左右，而修復材料為水硬性石灰5%與水硬性石灰12%的試樣隨著凍融循環次數的增加抗拉強度逐漸衰減，且在循環次數5～10之間呈現趨于穩定的趨勢。同時，用3種材料修復的試樣抗剪強度指標（圖10b、c）整體上呈現出降低的趨勢，但內聚力的數值除環氧樹脂外，另外兩種材料降低并不明顯。其中修復材料為水硬性石灰12%的試樣在凍融循環10次后內聚力略微升高，其余組別在凍融循環5次與10次后均存在細微的降低。

由計算結果（表46）得知：在修復材料耐久性方面，當凍融循環次數達到5次時，3種修復材料黏結的試樣內摩擦角劣化率分別為-1.84%、-2.18%和-4.09%，內聚力劣化率分別為-12.16%、0和-5.45%；當凍融循環次數達到10次時，3種修復材料黏結的試樣內摩擦角劣化率分別為-6.03、-10.25%和-4.79%，內聚力劣化率分別為-25.67%、-1.81%和0。此外，環氧樹脂黏結試樣抗拉強度最大劣化率為2.96%，而水硬性石灰5%與水

硬性石灰12%黏結試樣抗拉強度最大劣化率分別為-11.26%、-12.34%（表4—6），二者相差不大。

在凍融循環過程中，砂巖中部橫截面與修復材料的黏結處以及砂巖自身都會發生不同程度的劣化，這些因素都會導致砂巖試樣的抗拉強度與抗剪強度降低。但隨著凍融循環試驗的次數增加，砂巖試樣的損傷度會逐步趨于穩定狀態，強度也會逐漸降低直至達到某一穩定值。

3.5" 飽和度對文物砂巖修復材料的影響

在飽和度影響試驗中，完全飽和后的砂巖試樣抗拉強度均低于未經飽和試驗處理的砂巖試樣（圖11a）。將試樣用3種修復材料黏結后，用水硬性石灰12%修復的砂巖試樣達到完全飽和后內摩擦角增大，其余組別內摩擦角均呈現減小趨勢；3種材料修復后內聚力均有所減小（圖11b、c）。

由計算結果（表46）得知，3種修復材料黏結的試樣抗拉強度劣化率分別為-21.48%、-11.26%、-22.22%，內摩擦角劣化率分別為-6.03%、-8.59%、7.30%，內聚力降低較為明顯，其劣化率分別達-39.18%、-21.81%、-30.90%。由試驗結果分析得出，由于砂巖自身遇水會發生明顯的軟化，修復材料飽和后也呈現出不同程度的細微軟化，3種修復材料黏結的砂巖試樣在飽和時抗拉強度和抗剪強度均明顯降低。因此在多雨潮濕的環境下，可能造成砂巖與修復材料飽和度升高、強度降低的影響因素在實際應用中需要引起重視。

4" 結論與建議

1）使用環氧樹脂黏結的砂巖試樣強度高于用水硬性石灰，用水硬性石灰12%黏結強度高于用水硬性石灰5%。

2）與常溫狀態下相比，在高溫和低溫影響下環氧樹脂黏結砂巖試樣的抗拉強度增大，內摩擦角

降低，但內摩擦角在0 ℃時升高；而用5%水硬性石灰與12%水硬性石灰修復后的試樣其抗拉強度和抗

剪強度沒有受到明顯影響。

3）多次凍融過程中環氧樹脂黏結砂巖試樣的抗拉強度一直處于較高的水平，強度衰減緩慢，說明環氧樹脂相對于其他2種材料黏結，具有更好的耐久性。

4）與試樣完全干燥狀態下相比，完全飽和后的試樣抗拉強度與抗剪強度指標均有所減小。用環氧樹脂、水硬性石灰5%、水硬性石灰12%修復后的試樣抗拉強度分別減小了21.48%、11.26%、22.22%。因此，水分增多對經修復材料黏結后的砂巖試樣抗拉強度與抗剪強度具有衰減作用。

值得說明的是，由于試樣取自實際工程的砂巖，同一批試樣中每個試樣的均質性很難得到保證，導致同樣試驗條件下每個試樣的試驗結果并非達到較高的一致性。后續的研究應更加嚴格選樣，規范制樣，并增加試樣數量，以進一步增加結果的可信度。

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