赵林毅，王旭东，李 黎，严绍军，蒋思维，李志鹏，李最雄，方 云

(1. 敦煌研究院，甘肃敦煌 736200； 2． 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心，甘肃敦煌 736200；3． 中国文化遗产研究院，北京 100029； 4． 中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074；5． 大足石刻研究院，重庆大足 402360； 6． 敦煌研究院文物保护技术服务中心，甘肃兰州 730000)

0 引 言

岩体裂隙是威胁砂岩石窟安全的主要因素之一，裂隙注浆是解决此类问题的主要工程措施。中国对裂隙注浆材料的研究与应用始于20世纪60年代，对石窟文物的抢救性保护起到了关键的作用[1-8]。水硬石灰用于石质文物的保护研究在欧美国家起步较早[9-15]，中国相对较晚[16]。本工作缘于李最雄先生对我国最早的“仰韶混凝土”的研究[17，18]，以及对基于“仰韶水泥”(β-CaSiO3和Ca2Al2SiO7，见文献[17，18])的岩土质文物保护加固系列材料的研究[19-23]，并引入偏高岭土和膨胀剂AEA分别作为填料和膨胀剂[24-27]，进行了砂岩石窟岩体裂隙灌浆材料室内筛选研究[28]，实验初步筛选出了烧料礓石、偏高岭土、石英砂的最佳质量配合比为1∶0.6∶0.4，膨胀剂AEA的最佳掺量为总质量的10%，最佳水灰比为0.5～0.6的灌浆材料。基于以上研究，笔者进一步对此种配比材料的物理力学特性及耐候性进行了系统的室内研究，同时与未掺加膨胀剂的情况进行了对比。

1 浆液及试块制备

实验中，将过200目筛的烧料礓石水硬石灰与过300目筛的偏高岭土以及工业用石英砂以质量比1∶0.6∶0.4混合，掺加占以上总质量10%的膨胀剂AEA，以水灰比0.5、0.6分别配制4种浆液(表1)，测试浆液的流动度及初凝、终凝速度。同时制备40mm×40mm×160mm和70mm×70mm×70mm两种规格的棱柱体试块，进行浆液结石体的物理力学特性及环境诸因素影响性实验。

2 基本试验

实验首先对4种浆液的流动度、 标准稠度及凝结时间进行测定。采用JC/T 958—2005型测试仪， 参照中华人民共和国国家标准GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试浆液的流动度， 采用ISO9597—1898型标准稠度及凝结时间测定仪， 参照中华人民共和国国家标准GB/T 1346—2001测试浆液的凝结时间， 结果见表2。

表1 浆液及试块制备

表2 浆液流动度、初凝和终凝速度测定

3 物理力学性质实验

3.1 结石体龄期强度试验

采用40mm×40mm×160mm棱柱体试样，WDW-200型微机控制电子压力试验机，参照中华人民共和国国家标准GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试结石体在3d、 7d、 14d、 28d的龄期抗折、抗压强度，结果见图1。

图1 结石体龄期强度变化Fig.1 The relation of the age strength test

3.2 结石体的耐冻融试验

采用40mm×40mm×160mm规格试样，DW-FL90型超低温冷冻储存箱，HBY-20型恒温恒湿箱，先将28d龄期的结石体在-30℃低温下冻12h，然后在温度25℃、RH90%条件下融12h，如此反复冻融18个循环后，按照3.1所述方法，测试试样的抗折、抗压强度变化，每6个循环后观察并做描述，测试结果见图2。

图2 冻融前后强度的变化Fig.2 The changing of the strength before and after freezing and thawing test

3.3 结石体的温湿度试验

采用ETH-1980-20-CP-AR型恒温恒湿试验机。将28d龄期的40mm×40mm×160mm规格试样，在105℃加热12h，然后在温度25℃、RH90%的条件下放置12h，如此反复循环18个周期后，按照3.1所述方法，测试试样的抗折、抗压强度变化，结果见图3。

图3 温湿度循环前后强度的变化Fig.3 The changing of the strength before and after temperature-humidity cycle

3.4 结石体的安定性试验

将28d龄期的40mm×40mm×160mm规格试样，在饱和Na2SO4溶液中浸泡20h取出，105℃烘4h，如此反复循环5次后，按照3.1所述方法，测试试样的抗折、抗压强度变化，结果见图4。

图4 结石体安定性试验的强度变化Fig.4 The changing of the strength during the stability test

3.5 结石体的耐碱性试验

将28d龄期的40mm×40mm×160mm规格试样，在2%NaOH溶液中浸泡12h后取出，105℃烘4h后，按照3.1所述方法，测试试样的抗折、抗压强度变化，结果见图5。

图5 耐碱前后强度的变化Fig.5 The changing of the strength before and after alkali-resisting

3.6 结石体的水稳定性试验

1) 湿试块。将28d龄期的40mm×40mm×160mm规格试样，在室温水中浸泡24h，取出后按照3.1所述方法，立即测试试样的抗折、抗压强度变化，结果见图6。

2) 自然风干试块。将28d龄期的40mm×40mm×160mm规格试样，在室温水中浸泡24h，取出后在室内自然风干，然后按照3.1所述方法，测试试样的抗折、抗压强度变化，结果见图7。

3.7 固化温度对结石体强度的影响

将40mm×40mm×160mm规格试样， 在室温固化3d后，分别在常温、50℃、100℃及150℃条件固化8h，按照3.1所述方法，测试试样的抗折、抗压强度变化，结果见图8。

图6 结石体经水浸泡后强度的变化Fig.6 The changing of the strength before and after soaking

图7 结石体经水浸泡后自然风干强度的变化Fig.7 The changing of the strength before and after soaking (natural weathering)

图8 固化温度对结石体强度的影响Fig.8 The strength affected by the solidification temperature

3.8 结石体龄期含水率变化及干密度和孔隙率

采用40mm×40mm×160mm规格试样，分别测试结石体3d、7d、14d、28d龄期的含水率变化及28d后的孔隙率。依据GB/T 50123—1999《TUG 土工试验方法标准》进行实验，所用的试验仪器有JA5003A 电子天平、DHG恒温干燥箱、JDM-1土壤相对密度仪、WH-1土壤湿度密度仪等，测试结果见表3。

3.9 结石体的收缩变形性试验

采用ZL00261525砂浆膨胀收缩仪，参照中华人民共和国行业标准JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，测试结石体28d收缩率(图9)。

表3 结石体不同龄期含水率变化及干密度和孔隙率

图9 收缩率Fig.9 Shrinkage rate

3.10 弹性波速与龄期的关系

采用RSM型岩土工程仪器，制作70mm×70mm×70mm规格试样，测试棱柱体在1～30d的弹性波速，测试结果见图10。

图10 龄期—波速关系图Fig.10 The relation of the age and elastic wave velocity

4 结 论

通过对浆液和浆液结石体物理力学特性试验，得出如下初步结论：

1) 1#、2#、3#和4#浆液都有较好的流动性，3#浆液的流动性最好，4种浆液都有适宜的初凝和终凝速度。

2) 1#、2#、3#和4#浆液结石体都有较高的龄期强度，特别是较好的早期强度，这对石窟岩体裂隙注浆，尤其是堵水十分有利。

3) 4种浆液结石体试块经18次冻融循环后，力学强度都稍有下降。经温湿度18次循环后，1#、2#试块的抗压强度稍增，3#、4#微降。因此在高温条件下，不利于石灰、水硬性材料的碳化和水化养护。经5个循环的安定性实验后，4种试块的抗压强度都有不同程度的增长，其中1#、4#试块的抗折强度稍有增加，2#、3#试块的抗折强度略有降低。经耐碱性实验后，4种浆液结石体试块的抗压强度都有所增长，抗折强度略有降低。

4) 浆液结石体在水中浸泡24h后，4种试块的抗折、抗压强度微降。将4种试块分别在50℃、100℃及150℃条件下固化8h后，其强度有的微增，有的微降，说明高温条件对注浆材料的强度略有影响，不过这种特性对岩体裂隙注浆影响不大。

5) 4种浆液结石体都有较大的孔隙率，但3#、4#浆液中加入10%的膨胀剂AEA后，孔隙率明显下降。4种浆液结石体都有小的收缩变形性，特别是加入10%的膨胀剂AEA的3#、4#浆液，收缩率非常小，几乎达到无收缩变形状态。

6) 弹性波速测试结果表明，4种浆液结石体有基本相似的波速变化规律，且波速较大，随龄期的增长，波速也呈增长趋势；1～7d时波速增长较快，之后增长缓慢；加入10%膨胀剂AEA的3#、4#浆液，其结石体波速大于未加膨胀剂的1#、2#浆液；对比4种浆液结石体相应时段的龄期强度，其变化与波速变化趋势基本一致。

综合以上对浆液及浆液结石体物理力学性能的测试与分析，烧料礓石水硬石灰的固化过程是通过以下方式实现的。一方面，其中的气硬组分CaO与水和大气中的CO2作用形成CaCO3，整个过程是从胶凝体的表面向内延伸，由于接触的CO2越来越少，这个过程也会越来越慢，逐渐形成CaCO3胶凝体，使结石体具备了较大的孔隙率和良好的透水透气性。另一方面，其中的硅酸钙(β-CS)和铝硅酸钙(C2AS)遇水作用发生水合作用形成强度较高的β-CSHn和C2ASHn水化产物，这种作用在较短时间内完成，这个过程对结石体强度增长做了很大的贡献。偏高岭土(AS2)的加入，AS2与水硬石灰中的CaO作用生成C2AS，其水化过程能够显著提高结石体的早期强度。同样膨胀剂的加入显著降低了结石体的收缩性能。本试验中以烧料礓石水硬石灰为胶凝材料，以偏高岭土、石英砂为填料，质量比为1∶0.6∶0.4，同时掺加占总质量10%的膨胀剂AEA，水灰比控制在0.50～0.60时，该种配比的材料具有良好的物理力学特性和强的耐环境因素影响能力，是一种适宜砂岩石窟岩体裂隙灌浆的材料。

参考文献：

[1] 李最雄，易武志. PS-C对砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆的研究[J].文物保护与考古科学，1989，1(2):19-28.

LI Zui-xiong，YI Wu-zhi. A study on restoration works of fissured gravel rock-body in grottoes using PS-C grouting[J]. Sciences of Conservation and Archaeology，1989，1(2):19-28.

[2] 李最雄，张 鲁，王亨通. 砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆的进一步研究[J].敦煌研究，1993(3):79-97.

LI Zui-xiong， ZHANG Lu， WANG Heng-tong. A further study on restoration work of fissured gravel rock-body in grottoes using PS grouting[J]. Dunhuang Research，1993(3):79-97.

[3] 李最雄，张虎元，王旭东. PS-F灌浆材料的进一步研究[J]. 敦煌研究，1996(1):125-139.

LI Zui-xiong， ZHANG Hu-yuan， WANG Xu-dong. Further studies on the use of PS-F as a grouting mixture[J]. Dunhuang Research， 1996(1):125-139.

[4] 杨 涛，李最雄，堪文武. PS-F灌浆材料的物理力学性能[J]. 敦煌研究，2005(4):40-50.

YANG Tao， LI Zui-xiong， CHEN Wen-wu. Mechanical and physical properties of PS-F grouting materia[J]. Dunhuang Research， 2005(4):40-50.

[5] 李最雄，王旭东. 榆林窟东崖的岩体裂隙灌浆及其效果的人工地震检测[J].敦煌研究，1994(2):174-184.

LI Zui-xiong， WANG Xu-dong. Results of the grouting of cracks of the eastern face of the Yu Lin grottoes and artificial earthquake monitoring[J]. Dunhuang Research，1994(2):174-184.

[6] 李最雄. 李最雄石窟保护论文集[M].兰州：甘肃民族出版社，1994.

LI Zui-xiong. LI Zui-xiong， Grottoes conservation[M]. Lanzhou: Gansu National Press，1994.

[7] 李最雄.丝绸之路古遗址保护[M]. 北京：科学出版社，2003.

LI Zui-xiong. Ancient site conservation of the Silk Road[M]. Beijing: Science Press，2003.

[8] 丁济新，计丽珠. 大足石窟岩体补强材料初步研究[J].地下空间，1995，15(1):45-50.

DING Ji-xin， JI Li-zhu. A preliminary study on repair materials for stone statue rockmass in Dazu，Sichuan[J]. Underground Space，1995，15(1):45-50.

[9] Moorehead D R. Cementation by the carbonation of hydrated lime[J]. Cement and Concrete Research，1986，16(5):700-708.

[10] Fasssina V， Favaro M， Naccari A，etal. Evaluation of compatibility and durability of a hydraulic lime-based plasters applied on brick wall masonry of historical buildings affected by rising damp phenomena[J]. Journal of Cultural Heritage，2002，3(1):45-51.

[11] Mosquera M J， Benitez D， Perry S H. Pore structure in mortars applied on restoration: Effect on properties relevant to decay of granite buildings[J]. Cement and Concrete Research，2002，32(12):1883-1888.

[12] Lanas J， Bernal J L P， Bello M A，etal. Mechanical properties of natural hydraulic lime-based mortars[J]. Cement and Concrete Research，2004，34(3)：2191-2201.

[13] Pav’Ia S， Treacy E. A comparative study of the durability and behaviors of fat lime and feebly-hydraulic lime mortars[J]. Materials and Structures，2006，39(3):391-398.

[14] Victoria I Pingarrón Alvarez. Performance analysis of hydraulic lime grouts for masonry repair[D]. University of Pennsylvania Year， 2006.

[15] Pavía S，Toomey B. Influence of the aggregate quality on the physical properties of natural feebly-hydraulic lime mortars[J]. Materials and Structure，2008，41(3):559-569.

[16] 周 霄，胡 源，王金华，等.水硬石灰在花山岩画加固保护中的应用研究[J].文物保护与考古科学，2011，23(2):1-7.

ZHOU Xiao， HU Yuan， WANG Jin-hua，etal. Study on hydraulic lime mortar for consolidaiton of Huashan rock Paintings[J]. Sciences of Conservation and Archaeology，2011，23(2):1-7.

[17] 李最雄.我国古代建筑史上的奇迹[J].考古，1985(8):741-747.

LI Zui-xiong. Ancient architectural history of China’s Miracle[J]. Archaeology，1985(8):741-747.

[18] 李最雄.世界上最古老的混凝土[J].考古，1988(8):751-756.

LI Zui-xiong. The world’s oldest concrete[J]. Archaeology，1988(8):751-756.

[19] LI Zui-xiong， ZHAO Lin-yi， LI Li. Light weight concrete of Yangshao Period of China: The earliest concrete in the world[J]. Science China Technological Sciences， 2012，55(3):629-639.

[20] 赵林毅，李 黎，李最雄，等.中国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的研究[J]. 无机材料学报，2011，26(12):1327-1334.

ZHAO Lin-yi， LI Li， LI Zui-xiong，etal. Study on two kinds of traditional silicate material China ancient buildings[J]. Journal of Inorganic Materials，2011，26(12):1327-1334.

[21] 李 黎，赵林毅，王金华，等.我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的物理力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(10):2120-2127.

LI Li， ZHAO Lin-yi， WANG Jin-hua，etal. Study on the physical and mechanical properties of two kinds of traditional silicate materials of China ancient buildings[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(10):2120-2127.

[22] 李最雄，赵林毅，李 黎. 砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆新材料研究[J].敦煌研究，2011(6):59-64.

LI Zui-xiong， ZHAO Lin-yi， LI Li. Gravel rock grotto rock fissure grouting materials research[J]. Dunhuang Research，2011(6):59-64.

[23] 李 黎，赵林毅，李最雄. 中国古建筑中几种石灰类材料的物理力学特性研究[J].文物保护与考古科学，2014，26(3):74-84.

LI Li， ZHAO Lin-yi， LI Zui-xiong. Study on the physical and mechanical properties of several lime materials in ancient Chinese architecture[J]. Sciences of Conservation and Archaeology，2014，26(3):74-84.

[24] 方永浩，郑 波，张亦涛. 偏高岭土及其在高性能混凝土中的应用[J].硅酸盐学报，2003，31(8):801-805.

FANG Yong-hao， ZHENG Bo， ZHANG Yi-tao. Metakaolin and its application in high performance concerte[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society，2003，31(8):801-805.

[25] 李克亮，黄国泓，王 冬，等.高活性偏高岭土的研究[J].混凝土，2005(11):49-59.

LI Ke-liang， HUANG Guo-hong， WANG Dong，etal. High reactivity metakaolin[J]. Concrete， 2005(11):49-59.

[26] 郭文瑛，吴国林，文梓芸，等.偏高岭土活性评价方法的研究[J].武汉理工大学学报，2006，28(3):76-79.

GUO Wen-ying， WU Guo-lin， WEN Zi-yun，etal. Research on the estimation method for the reactivity of metakaolin[J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2006，28(3):76-79.

[27] 施惠生，郭晓潞.混凝土膨胀剂研究及其应用[J].粉煤灰，2006(1):12-15.

SHI Hui-sheng， GUO Xiao-lu. Study on concrete expansion admixture and its application[J]. Coal Ash，2006(1):12-15.

[28] 赵林毅，王旭东，李 黎，等. 基于仰韶水泥的砂岩石窟裂隙灌浆材料室内筛选研究[J].文物保护与考古科学，2016，28(3):50-57.

ZHAO Lin-yi， WANG Xu-dong， LI Li，etal. The lab selection study on Yangshao concrete grouting materials to treat the cracks of sandstone grottoes[J]. Sciences of Conservation and Archaeology，2016，28(3):50-57.