陈棠茵，朱宝龙

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 620059；2.西南科技大学土木与建筑工程学院，四川 绵阳 621010）

岩石的风化对温度、湿度的变化敏感性较高。在中国西南、中南地区广泛分布着大量的红砂岩，这种砂岩孔隙率大，松软、透水性好，强度较低。在雨水或地表水的作用下，泥质胶结物中的可溶性矿物质被淋滤溶蚀，向岩面迁移，形成坚硬的外壳。当遇到温度强烈变化时，岩石内外胀缩的差异性引起表层岩石出现裂缝、起壳，在水流和风力的作用下，呈鳞片状剥落，在循环往复的气候条件下，温度和湿度的变化幅度和变化形式影响着岩石的风化速度。

中国很多钻凿在石壁上的文物古迹在常年的气候变化过程中，出现不同程度的风化病害。如浙江省龙游石窟［1］在小环境温湿度反复变化的气候过程中，岩石表面出现结壳、剥落，然后再结壳、再剥落的反复破坏过程；四川广元千佛窟［2］由于进深较大的窟室内外存在2～4℃的温差，石窟棱角部位对温度的变化敏感，而其他部位相对滞后，导致石窟表面碱化、锈染、彩绘层空鼓等失真现象。对此，地质工作者和考古工作者对砂岩的风化影响因素进行了大量研究［4～6］，但大多数研究都侧重在砂岩风化影响因素和机理的定性分析上，缺乏量化的数据。文章通过研究在当前气候条件下，随季节周期性变化的温度、湿度对砂岩风化速度的影响，为文物古迹的保护研究工作提供科学依据。

1 循环变温实验

全周期温度循环曲线图1显示，随着循环周期的增加，整体波速是从初始状态逐渐增加，呈上升趋势，当达到第7个循环周期时，波速的波动趋于一恒定区间，3.0～4.0km/s之间。初期质量循环曲线呈上升调整状态，随着循环周期的增加，试样整体质量变化呈下降趋势，第9周期后，质量随循环周期的增加以一固定斜率递减，质量减少了约15g，砂岩表面有少量颗粒脱落。

图1 全周期温度循环关系曲线Fig.1 Temperature vs elastic wave velocity and temperature vs quality

为了更清晰的分析波速和质量随温度的变化情况，提取一个周期的波速和质量变化过程，如图2。

图2 单周期温度循环关系曲线Fig.2 Temperature vs elastic wave velocity and temperature vs quality in a simple cycle

图2显示，在一个循环周期内弹性波速随温度变化呈V字型分布，即随着温度的升高波速值降低，在最高循环温度100℃时波速出现最低值，此后随着温度的回升波速逐渐增大，各温度点波速基本呈对称分布，弹性波速变化幅度在1.0km/s以内。岩样质量随温度升高而降低，并在80℃时有质量的突降，1个循环周期内质量减少约1～3g。为了对比研究非循环温度条件下砂岩的风化速度，实验采取自100℃以上连续升温至205℃，测得的弹性波速和质量变化结果，如图3。

图3 持续高温关系曲线Fig.3 Top temperature vs elastic wave velocity and quality in temperature of 100 to 200℃

在100～200℃连续高温条件下，试样的弹性波和质量随温度的升高呈下降趋势，其中波速降低了0.3km/s，质量减少了2～3g，试样表面无脱落剥离现象，其风化程度较0～100℃循环变温条件下小很多。

以上实验结果表明，在100℃以下的温度循环中，弹性波速和质量均与温度呈反比变化。这可能是由于温度循环变化使岩样内部产生温差，温差促使岩石膨胀和收缩交替进行，岩样内部微裂隙和孔隙扩展，密度下降，弹性波速减小。同时，温度升高，含水量减少，岩样质量会有少量的下降。随着循环周期的增加，砂岩试样逐渐适应温度的变化，在未达到其疲劳周期时，温度变化对其风化不产生影响。

2 湿度循环实验

为了研究砂岩在循环湿度条件下，砂岩的弹性波速、质量的变化趋势，对砂岩风化的影响分析提供理论依据。设计在常温和高温105℃两个环境下的干湿循环实验。(1)常温条件下实验从室温风干状态到全饱水为一个循环，实验湿度通过岩样的含水率来控制。取标准试样3组共18个试样，先测其在室温自然状态下的质量和波速测定，测试后放入冷水中浸泡6h，然后取出进行岩样质量和波速测定，再将试样置于常温状态下风干6h后测其质量和波速，依次进行30次循环，测得的干湿变化与弹性波速和质量关系如图4、8。(2)高温条件下，从105℃干燥到高温浸水全饱和两个状态为一个循环，循环30次，测得的干湿变化与弹性波速和质量关系如图5。

图4 常温干湿全周期关系图Fig.4 Wetting vs elastic wave velocity and wetting vs quality

图5 高温干湿循环关系图Fig.5 Wetting vs elastic wave velocity and wetting vs quality in temperature of 105℃

常温干湿循环实验的弹性波速变化曲线(图4)，在循环初期呈跳跃状波动，在循环的中后期阶段，干燥状态与饱和状态的弹性波速重合，呈水平直线状，量值恒为2.51km/s。质量变化曲线整体上变化幅度很小，基本上呈水平状态，整个循环周期内质量仅下降了2g。

“微生物工艺提取活性腐殖酸是世界上最独特的提取工艺。”据冉峰介绍，通过微生物发酵常温降解提取腐殖酸，具有低能耗和不加碱的工艺特点，在降低生产成本的同时有效增加了提取物的活性和功效，具有更加广泛、高效的应用空间。通过微生物工艺可以将腐殖酸抽提出黄腐酸、棕腐酸、黑腐酸和代谢产物等多种物质，可以补充全腐殖酸，同时具有与所有水质及氮磷钾复配的良好兼容性。

高温105℃干湿循环实验下的弹性波速和质量(图5)均有明显的衰减现象，并在较短的循环时间内达到最低值。在实验中，观察到试样发生明显的颗粒脱落现象，在第3个循环周期中，两端边缘处开始软化，边缘处有碎屑脱落，在第5个循环周期中，试件形成厚度为2mm左右泥沙状软化层，软化层边缘脱落颗粒不断在水中沉淀，在第9次循环后，试件软化层厚度增加，层内富含水分，波速无法测出终止实验，脱落层总厚度在4～8mm左右，最终在10个循环周期内达到破坏。

高温条件下，由于温度的热应力作用会使粗砂岩内部产生微裂纹，空隙率增大，在湿环境中其含水率也随之增高，水的软化作用使矿物颗粒间联结减弱，岩样的致密程度下降，行波阻力和时间增大，波速减小。在高温干燥条件下，砂岩又迅速失水收缩，裂纹相互间逐步贯通，随着循环次数的增加，达到产生较大宏观裂纹时，砂岩整体结构发生破坏而剥落。在室温条件下，由于温度不高，所产生热应力不够大，还不足以使砂岩产生裂纹，弹性波速基本保持不变。所以常温条件下，砂岩试样的风化程度不受干湿交替循环的影响，只有在高温环境中，保持较高的含水率的条件下，砂岩的风化较为强烈。

3 温度、湿度循环实验

在自然环境中，岩体常常是处在温度和湿度共同作用的气候条件下的，研究温度和湿度同步循环作用对砂岩的风化程度的影响是非常必要的，因此进一步设计了温度、湿度循环实验。实验采用水加热手段实现饱和状态下的温度和湿度的同步变化，设计恒温温度级为 30℃、40℃、60℃、80℃、100℃共5个等级。取标准试样18个，置于恒温水浴箱中，注入冷水并升温至30℃，恒温6h后进行质量和波速的测试，然后将试样放入升温至40℃的恒温水浴箱中恒温6h再进行测试，实验从30℃升至100℃再降温至30℃为一个循环周期，共进行24次循环实验。测试结果见图6。

温度、湿度同步循环实验中，试样的弹性波速和质量曲线均呈下降趋势，整个循环周期内，波速下降了2.0km/s，质量下降了40g，可以看出温度和湿度同时变化，砂岩风化速度明显加快。

图6 全周期温度、湿度循环关系图Fig.6 Temperature wetting vs elastic wave velocity and temperature wetting vs quality

4 砂岩风化速度拟合分析

上述各工况实验中除常温干湿循环试验对砂岩风化没有影响外，其余三种工况均不同程度地加快了砂岩的风化速度。为了定量地对比这种风化影响程度的强弱，从实验数据中提取100℃的弹性波速值和质量值，剔除实验初期不稳定阶段数据，进行曲线拟合，推求不同循环条件下砂岩的风化递减速率。由于实验中试样的弹性波速和质量随循环次数增加呈递减状态，分别拟合砂岩的风化速度和质量的近似值:

风化速度拟合公式:

式中:V——风化速度，拟合时近似等于砂岩的弹性波速值；

x——实验循环次数；

Cv——弹性波速递减系数，Cv值越大，表征砂岩的风化速度越快，相应的实验工况对砂岩风化的影响程度越显著。

近似质量拟合公式:

式中:W——风化质量损失量；

x——实验循环次数；

Cm——质量递减系数。

采用式(1)和(2)分别对温度循环、湿度循环以及温湿循环三种工况下的弹性波速和质量损失情况进行拟合，见图7～图9。

图7 100℃温度循环拟合图Fig.7 Temperature cycle fitting line in temperature of 100℃

图8 105℃湿度循环拟合图Fig.8 Dry-wet cycle fitting line in temperature of 105℃

拟合结果见表1。

图9 100℃温度+湿度循环Fig.9 Temperature＆ wet cycle fitting line in temperature of 100℃

表1 弹性波速递减系数、质量递减系数表Table 1 Elastic wave velocity decrease rate＆quality decrease rate

表1中的弹性波速递减系数Cv清晰地表明，高温湿润条件下砂岩风化速度最快，温度和湿度共同作用下的风化速度其次，单纯变温条件下的风化速度最弱。质量递减系数Cm表明，在三种条件下砂岩均有质量上的衰减，包括水分的散失和矿物颗粒的剥落。变温条件下质量衰减最慢，温度和湿度共同作用条件下质量损失最快，而高温湿润条件下，由于裂隙张开度高，含水量有所增加，抵消了一部分岩石剥落的质量损失。综合以上两个指标，高温湿度循环条件对砂岩试样风化影响最突出，其次是温度、湿度共同循环作用，单一的温度循环对砂岩的风化影响较缓慢。

5 结论

通过温度循环试验、湿度循环试验、温度与湿度同步循环试验，研究砂岩在季节性变化气候中的风化速度，得到如下结论:

(1)砂岩风化速度随温度升高加快，常温下单一温度循环变化对风化速度的影响缓慢；

(2)常温下湿度的循环变化对岩石风化速度不产生影响。100℃以上的高温湿度循环条件下砂岩风化速度较快，水分对循环湿度有明显影响，是加速岩样劣化的重要因素，且砂岩对湿度的敏感性较强；

(3)温度与湿度共同循环作用下，砂岩表现出一定的风化现象。反映了在一年内，随着季节性温度的变化，砂岩存在一定程度的风化变化，但在随后年复一年相同的气候变化中，砂岩的风化程度不再发生变化，随着时间的推移风化程度反而变得更为稳定，并更具规律性。

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