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第34卷 第x期 丁梧秀等：水化學(xué)溶液及凍融耦合作用下灰?guī)r力學(xué)特性試驗(yàn)研究 3

硝酸溶液中浸泡7 d，之后將試件進(jìn)行凍結(jié)，再放入蒸餾水中融化，如此反復(fù)進(jìn)行凍融試驗(yàn)；陳有亮等[18]將試件先放入4種不同濃度硝酸溶液中浸泡作為酸性處理后的試塊，然后將試件進(jìn)行凍結(jié)，再放入相應(yīng)溶液中融化，如此反復(fù)進(jìn)行凍融試驗(yàn)。本文以龍門石窟灰?guī)r為研究對(duì)象，選擇對(duì)巖石侵蝕損傷最大的NaCl酸性溶液以及石窟泉水和蒸餾水進(jìn)行不同水化學(xué)溶液及凍融耦合作用下的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，為和實(shí)際工程一致，整個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)中試件一直處于水化學(xué)溶液中。同時(shí)進(jìn)行僅受水化學(xué)溶液侵蝕下的相關(guān)試驗(yàn)，便于對(duì)比分析。最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析龍門石窟灰?guī)r在不同水化學(xué)溶液及凍融耦合作用下的強(qiáng)度特征及機(jī)制，為龍門石窟文物的保護(hù)提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用巖樣為龍門石窟灰?guī)r，取自龍門石窟所在區(qū)域的東山，礦物成分主要為方解石和少量白云石。巖樣取回后被加工成直徑50 mm，高100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件。考慮到石窟區(qū)雨水pH值為4.38～7.80，而酸性溶液對(duì)灰?guī)r又具有較高的溶蝕能力，同時(shí)為了加速水化學(xué)溶液及凍融耦合侵蝕的進(jìn)程，便于在短時(shí)間內(nèi)研究灰?guī)r的損傷特征，配置了0.01 mol/L，pH = 4的NaCl溶液供試驗(yàn)用。試驗(yàn)中還選取了蒸餾水和已經(jīng)與巖石發(fā)生作用的龍門石窟泉水(pH = 7.85)進(jìn)行試驗(yàn)，便于進(jìn)行對(duì)比研究。龍門石窟泉水的pH值為弱堿性，主要是由于泉水流經(jīng)呈堿性的灰?guī)r而導(dǎo)致的。 2.2 試驗(yàn)方法

龍門石窟所在地區(qū)冬季最低氣溫－5 ℃以下，最冷可達(dá)－10 ℃，日平均氣溫6 ℃，因此確定凍融循環(huán)溫度為－10 ℃～10 ℃；按每天進(jìn)行一次凍融循環(huán)計(jì)，每個(gè)循環(huán)周期確定為24 h；進(jìn)行凍融循環(huán)周期分別為15，40，65和90次的不同水化學(xué)溶液及凍融耦合作用試驗(yàn)，即最長(zhǎng)凍融試驗(yàn)時(shí)間按1個(gè)季度考慮。

試驗(yàn)時(shí)將試件分別浸泡于龍門石窟泉水、蒸餾水和配制的NaCl溶液中，每個(gè)試件所用浸泡溶液均為500 ml；然后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中試件一直浸泡于溶液中。首先將盛放試件及溶液的器皿放入－10 ℃的低溫試驗(yàn)箱中凍結(jié)12 h，再放入

10 ℃的恒溫箱中融化12 h。如此反復(fù)，進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)的水化學(xué)溶液及凍融耦合作用試驗(yàn)。每次循環(huán)后進(jìn)行試件質(zhì)量測(cè)定，最后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。為了比較凍融損傷作用，同時(shí)進(jìn)行了僅在水化學(xué)溶液侵蝕90 d及自然狀態(tài)下試件的單軸壓縮試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

單軸壓縮試驗(yàn)采用位移控制速率，大小為0.12 mm/s。表1為龍門石窟灰?guī)r試件在不同水化學(xué)溶液及凍融耦合作用下的單軸抗壓強(qiáng)度，表2為水化學(xué)溶液侵蝕90 d及自然狀態(tài)下試件的單軸抗壓強(qiáng)度。

表1 不同水化學(xué)溶液及凍融耦合作用下試件單軸抗壓強(qiáng)度 Table 1 Uniaxial compressive strengths of specimens under

coupled chemical solution and freeze-thaw processes

溶液

強(qiáng)度/MPa 凍融15次

凍融40次 凍融65次 凍融90次 蒸餾水 103.73 84.04 72.15 59.96 龍門水 100.84 77.16 68.84 54.86 NaCl溶液

99.11

76.17

63.72

51.51

表2 水化學(xué)溶液侵蝕90 d及自然狀態(tài)下試件單軸抗壓強(qiáng)度

Table 2 Uniaxial compressive strengths of specimens under

chemical solutions erosion with 90 d and natural state

試驗(yàn)環(huán)境 強(qiáng)度/MPa 蒸餾水 95.43 龍門水 93.85 NaCl溶液 86.74 自然狀態(tài)

121.69

3.2 不同水溶液及凍融耦合作用下強(qiáng)度損傷分析

從表1可以看出，3種水溶液中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試件的強(qiáng)度逐漸下降。在經(jīng)歷90次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度都下降很多。與自然狀態(tài)相比，蒸餾水、龍門水和NaCl溶液作用下的強(qiáng)度分別下降了50.73%，54.92%和57.67%，說明水化學(xué)溶液及凍融耦合作用對(duì)龍門石窟灰?guī)r強(qiáng)度的損傷作用較大，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，損傷逐漸增大。

圖1為3種水化學(xué)溶液下龍門石窟灰?guī)r試件強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系。由圖1可知，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，蒸餾水中試件的強(qiáng)度下降最少，龍門水次之，，NaCl溶液中試件的強(qiáng)度下降最多。說明化學(xué)溶液對(duì)灰?guī)r造成的凍融損傷比純水(蒸餾水)更大。

  本文關(guān)鍵詞：水化學(xué)溶液及凍融耦合作用下灰?guī)r力學(xué)特性試驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。