砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆——PS-C灌浆材料

　　位于中国古丝绸之路上的石窟与河南、山西、四川等省的石窟，其所处的自然环境和地质条件，特别是岩体结构有很大的差异①。古丝绸之路上的石窟，如甘肃省的敦煌莫高窟、安西榆林窟和新疆的克孜尔石窟等，其所处的自然环境干燥，岩体大都是泥质或钙泥质胶结的砂砾岩。岩体胶结性差，有的呈半胶结状态，岩性松散、干燥、孔隙率大，砾石成分复杂。因此，这些砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆不同于石灰岩、也不同于胶结性好的细砂岩石窟的岩体裂隙灌浆。
　　过去对洛阳的龙门石窟和四川的大足石刻的岩体裂隙灌浆都采用了以环氧树脂为主剂的高强度有机高分子材料，取得了较好的加固效果②③。因龙门石窟的岩体属石灰岩，大足石刻的岩体属钙质胶结的细砂岩，这两种岩体的孔隙率小，强度高。同时这两处石窟的自然环境十分潮湿，山体渗水多，特别是大足石刻的岩体裂隙灌浆采用了潮湿环境下的环氧树脂补强材料④。在这种石窟的地质条件下，用环氧树脂进行岩体裂隙灌浆，不仅能起到填充裂隙的作用，同时也能起到黏结加固作用，防止山体雨水渗漏。如果对较松散的砂砾岩岩体裂隙也采用环氧树脂一类高强度有机高分子浆材，显然是不适宜的。因砂砾岩孔隙率大，裂隙两壁有相当厚的一层风化松散层，这种条件下若采用环氧树脂灌浆，因浆材固结体和岩体的强度差别很大，这样两种材料的内聚力差别很大，必然使浆材固结体和裂隙之间产生剥离和新的裂隙，这如同在松散的夯土墙裂隙中灌入水泥砂浆一样⑤。另外，环氧树脂成本高，灌浆工艺也较复杂。
　　针对砂砾岩的岩性特点，在20世纪80年代初，我们对麦积山砾岩的裂隙进行了无机高分子材料PS-C的灌浆实验，取得了较好的效果。PS是一种最佳模数的硅酸钾，C是麦积山石窟附近的红黏土。PS-C固结体和砂砾岩有大致相同的特性和强度，同时PS对砂砾岩有很好的渗透加固作用。采用PS-C浆材对砂砾岩岩体裂隙灌浆后，首先对裂隙两壁的风化松散层能很好的渗透加固，这样使PS-C固结体和裂隙两壁牢固的黏结在一起，使灌浆密实度好，整体性强，不仅起填充作用，也能起一定的加固黏结作用。同时PS-C浆材成本低，灌浆工艺简便，不污染环境，操作过程对人体无害。
　　后来，我们针对榆林窟的灌浆，对PS-C系列的无机灌浆材料做了进一步的扩大实验，即又做了PS-G、PS-Z、和PS-F浆材的灌浆研究。
　　最近，又对PS-(F+A)和PS-(F+D)灌浆材料做了初次实验。C为红黏土、G为硅藻土、Z为铸石粉、F为粉煤灰、A为钙质土、D为澄板土(即洪水沉积黏土)。
　　近10年来，通过对砂砾岩石和土遗址的加固表明，PS-C、PS-G、PS-(F+A)和PS-(F+D)浆材适合于土遗址灌浆(包括生土和夯土)。PS-G和PS-F适宜对砂砾石窟的岩体裂隙灌浆。
　　一、PS-C灌浆材料
　　以高模硅酸钾(PS)为主剂，红黏土(C)为填料，制做试块，以进行实验。
　　(一)实验
　　1.PS-C物理力学性能试验
　　物理力学试验是参照水泥砂浆和岩石力学性能试验方法进行的⑥。其中，PS-C和岩石抗压强度分别采用铁模成型和锯割取样的4cm×4cm×16cm试件，先弯折，后压其两半的方法。试件数量：抗折一般为3个，抗压为6个。PS-C和PS黏结强度，是将岩体或水泥砂浆试件折断黏合后，再进行弯折的方法确定。所有耐浸蚀性、抗冻融、崩解试验，都是取28d常温固化试样进行的。
　　2.PS-C强度
　　试验表明，PS-C强度与固化龄期和温度、红黏土成分和细度、PS模数、水灰比(PS：C)、固化剂和交联剂掺量等许多因素有关。
　　(1)常温固化强度
　　在常温固化条件下，如表7-1，抗压和抗折强度均随固化龄期而提高。
　　目前，虽然还需要时间来观测90d、180d、360d龄期强度，以及补充较合适配比的PS-C强度增长规律数据(因为本组比不甚合适)，但是，由此初步结果可知，这种在常温下可以固化，有一定早期强度和较高后期强度的性能，是适用于砂砾岩裂隙灌浆和施工的基本要求之一。
　　初步测定，一般配比的PS-C初凝时间为45～90min，终凝时间为1.5～3.5h。
　　(2)固化温度的影响
　　试验表明，提高固化温度，可以大大加快PS-C强度的增长，从图7-1可知，其抗折强度(Rf)增长趋势稍大于抗压强度(Rc)的增长。
　　(3)红黏土粒度对强度的影响
　　全部试验所用红黏土，是在试验期间分三批从麦积山现场运来的。试验中发现，相同配比试件强度不一。经了解，所取红黏土部位不同，经测试，其浆液的碱度也不同。由此表明，红黏土成分对PS-C强度有显著影响，对此，有待深入研究。
　　对红黏土细度的影响，进行了初步试验。用过0.1mm孔径筛孔的红黏土，PS-C强度较高。经过3mm孔径的红黏土，由于其中含有细砂和粗粒度黏土，PS-C强度较低，其抗压(5.58MPa)和抗折(2.19MPa)性较经过0.1mm孔径筛孔的红黏土分别降低71.18%和48.88%。
　　关于PS-C强度随红黏土细度变小而提高的原因，是多方面的，但其主要之点，可能是粒度越细，它和PS的复合作用力越大(表7-2)。
　　(4)水灰比(即PS：C)对PS-C强度的影响
　　根据裂隙灌浆要求，进行了较大范围的PS：C强度试验。如表7-3，当红黏土和较高模数PS重量比由0.828到1.035时，抗压强度变化不大，抗折强度仅当PS：C比为1.035时下降36%。其值和原因，尚待分析验证。
　　(5)固化剂、交联剂掺量对PS-C强度影响
　　由表7-4还可见，在某一确定模数下，当PS：C为0.7时，固化剂和交联剂掺量为C的3%者，PS-C抗压和抗折强度获得较大值。此外，由表7-3可见，当PS：C为0.966，固化剂和交联剂掺量分别为4%和2%时，PS-C抗折强度达到6.34MPa的较高值。
　　PS的模数、固化剂、交联剂的掺量，是同时影响PS-C强度的三个主要因素。要根据PS或PS-C的不同用途：是喷洒岩体风化面，还是封闭裂隙口或是裂隙灌浆，来提出对PS-C的强度要求，确定可行的初凝、终凝时间，选定PS的模数，依PS的模数决定固化剂、交联剂的用量。
　　3.PS-C抗拉强度
　　仅用“∞”字型试块，做了PS：C为0.67、固化剂和交联剂掺量为1%的PS-C抗拉强度试验。其28d常温固化抗拉强度为1.0～1.7MPa，平均值为1.23MPa(6个试件)。
　　4.PS-C和麦积山石窟岩石强度比较
　　制作麦积山石窟砾岩、砂砾岩和砂质泥岩的标准(4cm×4cm×16cm)试块。同时制作PS-C标准试块，PS-C试块中的红黏土(C)取麦积山附近的红黏土。所用PS的模数为3.6，浓度为17.33%，水灰比即PS:C=0.65：1。进行龄期为30d的PS-C与麦积山岩体强度比较，结果见表7-5。
　　测试结果表明：PS-C结石体的抗折、抗压强度大于麦积山岩石抗折、抗压强度。这样通过调配PS的浓度和模数的方法，使PS-C结石体的强度略大于麦积山岩石的强度。
　　5.PS-C和PS黏结抗折强度
　　如表7-6，用折断后的水泥砂浆、砂岩、砂砾岩试块作被黏合体，用PS-C、PS、107胶水泥浆和环氧树脂黏合剂，进行了黏结抗折强度对比试验，结果表明：
　　107胶水泥浆黏结的砂岩、砂砾岩和水泥砂浆试件，均在黏结面折断破坏，最高黏结抗折强度为0.89MPa。原因是，砂砾岩强度低，被黏结面干燥，107胶水泥浆中的水分被黏结面迅速吸收后，黏结强度迅速降低。
　　环氧树脂和以上新折断面试件黏合后，再做折断时，均在非黏结面破坏。但是，当被黏合面风化疏松或潮湿时，环氧树脂难以黏结。由此可知，用环氧树脂黏结强度较低，特别是黏结严重风化的砂岩或砂砾岩时，不能充分发挥其黏接作用，而PS-C和PS用于黏结的砂岩和砂砾岩试块，在黏结密实的情况下，不仅均沿非黏结面破坏(图7-2)，且由于其中PS具有渗透加固周围岩体中胶结泥质作用，被黏结岩体试件的抗折强度成倍提高，特别是砂岩试块，高达8倍多。由此表明，PS和PS-C用于麦积山砂砾岩和北石窟砂岩裂隙灌浆黏结加固，具有突出的优越性。此外PS-C和PS用于黏结水泥浆块，也具有较好的效果。
　　6.PS对岩体的渗透强化作用
　　试验表明，经PS稀释液渗透(常压，自然渗透)或在黏结时被PS渗透的4cm×4cm×16cm砂岩和砂砾岩抗折试块，其抗压和抗折强度成倍提高，如表7-7，北石窟砂岩试块中，经PS渗透后，抗压强度提高1.9倍，抗折强度提高2.62～7.39倍。麦积山砂岩试件经粘合渗透强化后，抗折强度提高2.23～2.62倍。这一重要特性，有力地证明了上述PS和红黏土的作用机理。
　　7.PS-C抗冻融性能
　　抗冻融是岩石在潮湿状态下，经受多次冻和融，是否有显著破坏或强度降低的性质。
　　实验表明，麦积山岩体试块(4cm×4cm×16cm)，一旦浸泡于水中，很快吸水崩解，抗冻融很低。而PS-C试件，在-30℃冻4～8h，在常温水中融4h条件下，循环冻融15次后，只是外表有0.5mm左右厚的掉皮现象，无裂缝，3组9个试块(4cm×4cm×16cm)，平均强度下降为：抗压36.8%，抗折25.5%。由此可知，PS-C具有一定的抗冻融性能(表7-8)。
　　8.PS-C抗崩解性能
　　此试验是检验岩体在水中旋转条件下抗崩解破坏的性能。
　　自制一台崩解设备，32r/min，试验时，将4cm×4cm×16cm的PS-C试件，置于离转轴30cm处。使之在水中旋转20min，即640转，然后取出，在50℃温度下干燥8h，测定其失重与强度，见表7-9。
　　结果表明，抗压强度没有下降，抗折强度下降19.5%。此外，另选12个较小的试块，经20min崩解后，平均失重1.88%。
　　9.PS-C耐酸碱性能
　　将4cm×4cm×16cm试件分别置于10%浓度的HCl和NaOH溶液中泡4h，取出干燥后，测定其强度变化，结果如表7-10。由表7-10可见，抗压强度基本无变化，抗折强度下降了约20%。其原因可能是，侵蚀介质和试块表面作用后生成一些易溶性盐，填充到试块的空隙中，有使抗压强度提高的趋势；另一方面，侵蚀后，性能变脆，因此，抗折强度呈下降趋势。
　　10.PS-C安定性试验
　　麦积山砂砾岩试块在饱和Na2SO4溶液中浸泡20h，取出在105～110℃温度下烘干4h后，完全崩解(表7-11)。说明结构疏松的砂砾岩，对硫酸钠渗透到空穴中产生结晶膨胀的抗力很小。而PS-C试件(4cm×4cm×16cm)在同样条件下循环5次后，表面少量掉粉，无裂隙，抗压强度提高16.1%，抗折强度降低23.5%，表明PS-C有强的安定性。另外5个小试块，在5次循环作用后，3块平均失重2.96%，2块重量略为增加。
　　11.PS-C收缩变形性能
　　从观察表明，当水灰比(PS：C)较大时，PS-C试件在硬化过程中有显著收缩变形，为此，在其浆液中加入适量单体硅，使之在作用过程中产生气体膨胀，减少或避免收缩。试验表明加硅减缩效果是很明显的。
　　12.PS-C的初凝和终凝速度
　　PS-C浆材的初凝和终凝速度与PS的模数和固化剂的用量有关。我们对两个配方的PS-C浆材的初凝和终凝速度做了测定，结果见表7-12。
　　(二)结论
　　归纳以上物理力学性能初步试验结果可知，PS-C主要特性有：
　　1)在常温固化28d条件下，即有近于或高于麦积山砂砾岩强度的物理力学特性(见表7-5)。
　　2)在常温条件下，具有高于砂砾岩抗折强度2倍以上的黏结抗折强度。
　　3)PS具有渗透强化砂砾岩和砂岩，并与岩体黏土胶结产生化学作用的特性，能使其被渗透加固岩体强度提高2倍和2倍以上。
　　4)具有较好的抗冻性、抗酸碱、抗旋转水崩解等性能。
　　(三)结果分析
　　通过对无机复合材料PS-C的物理、化学和力学性能的初步试验，可看出PS-C具有稳定性好、强度接近或略高于砂砾岩的强度，且具有对砂砾岩的黏结性强、透水、透气等特点，与环氧树脂等有机高分子浆材比较，具有耐候性强、成本低、操作方便等优点。对砂砾岩石窟裂隙灌浆和石刻的黏结复原加固是一种有发展前途的保护材料。
　　1983年，配合麦积山加固工程，对麦积山西崖的127、133、135等洞窟的约500m裂隙用PS-C进行了封闭，同时又在133等洞窟进行了裂隙灌浆。后来又对西崖砂砾岩体的裂隙封闭和灌浆。
　　PS-C较环氧树脂等高分子材料有较大的收缩性，在潮湿环境下，凝结缓慢，且强度降低。这些问题有待进一步研究解决，以便扩大PS-C在石窟加固工程中的应用。
　　①黄克忠：《中国石窟的保护现状》，《丝绸之路古遗址保护国际学术会议论文提要》，1993年。
　　②姜怀英、刘景龙：《龙门石窟奉先寺加固工程中应用高分子材料的研究》，《亚洲地区文物保护技术讨论会议文集》，1989年。
　　③解廷藩：《云冈石窟加固工程中呋喃改性环氧树脂的应用研究》，《亚洲地区文物保护技术讨论会议文集》，1989年。
　　④马家郁：《潮湿环境下石窟危岩裂隙灌浆补强材料的研究》，《亚洲地区文物保护技术讨论会议文集》，1989年。
　　⑤余鸣谦、黄克忠、贾瑞广：《中国石窟寺保护方法的新进展》，《亚洲地区文物保护技术讨论会议文集》，1989年。
　　⑥C.Fairhurst，Some Numerical Studies of Anchoring in Geotechnical Engineering，《国际岩土锚固与灌浆新进展论文集》，国际锚固与灌浆工程技术研讨会，1994年。