可溶盐对孔隙砂岩破坏机理实验研究

孔隙砂岩自身的特性决定了其特别容易遭受可溶盐结晶与相态改变过程中形成晶体压力的破坏。本研究以大足石刻与云冈石窟为对象，通过现场暴露试验取得特定自然环境条件下砂岩的风化动态过程，并在实验室环境中重建影响可溶盐发育的关键环境因素，对可溶盐的结晶及相态转换中的宏观力学效应及其对砂岩损伤破坏的机理进行研究。主要解决如下问题：(1)不同自然环境条件下，可溶盐对砂岩的破坏对比分析，建立砂岩风化的过程模型，以此对砂岩风化历史反演，对未来进行预测；(2)可溶盐的形成及相态演化过程中，应力～孔隙砂岩～可溶盐之间的相互作用机理。得到可溶盐在砂岩破坏过程中微观机理与宏观的力学效应，并建立起二者关系，以验证及修正理论公式。研究成果将为正确认识孔隙砂岩，特别是有一定遮护条件下砂岩破坏过程提供试验数据和理论基础，提高工程建设中砂岩的防风化及砂岩石质文物的保护水平。

针对云冈石窟、大足石刻砂岩开展了可溶盐结晶过程中岩石破坏模拟，并对库木吐喇砂岩初步分析。.研究表明砂岩化学风化过程中，如碳酸盐胶结物与酸反应，长石颗粒粘土化过程中，往往伴随着可溶盐的形成，这些可溶盐包括石膏、泻利盐及芒硝等。同样，砂岩的风化离不开非饱和水汽这个中介，云冈石窟比较严重的渗水、返潮为可溶盐反复发育提供了必要条件。在室内，通过控制温湿度，在标准试件中形成无水芒硝和十水芒硝，反复结晶来研究可溶盐对砂岩的破坏效应。研究表明：可溶盐失水结晶过程中，对岩石产生明显的挤压作用，造成岩石出现膨胀变形，在石窟环境中，这种效应将在石窟岩体中产生次生挤压力；可溶盐在发育过程中，其对岩石的破坏是由内而外，先微观裂隙后宏观裂隙过程，破坏作用具有一定隐蔽性。对文物本体而言，表面粉化脱落、雕刻棱角破损等现象模拟试验结果与现状相符。岩石结构改变一个重要参数为孔隙率的变化，通过对不同循环次数岩石进行压汞实验表明，岩石孔隙率随无水芒硝的作用次数逐渐增大；在可溶盐反复作用过程中，顺着岩石结构破损，其宏观力学参数，岩石的刚度与强度，出现明显的变化。实验结果表明，岩石强度随可溶盐发育次数而明显降低；岩石的刚度同样降低明显，但在后期出现一定增长。对比无水芒硝与十水芒硝，无水芒硝对云冈石窟砂岩劣化效应非常明显，而10水芒硝对其影响却比较轻微。因此，云冈石窟在相对干燥环境条件下形成可溶盐晶体对岩石破坏更为显著。.大足石刻是我国南方一个重要的砂岩石窟，其长期处于相对潮湿的环境。大足石刻砂岩含泥量高，强度低，饱和可溶盐溶液在失水结晶过程中，监测得到的变形量是岩石干缩与晶体挤压破坏的共同结果。无水晶体形成的挤压大，对岩石的破坏速度快。而十水晶体对岩石破坏相对比较缓慢。大足石刻区常年处于潮湿环境条件下，因此主要形成的盐应以含水盐为主。对大足石刻而言，盲目降低文物的湿度可能将加剧可溶盐的析出，并产生无水晶体而加剧破坏。