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

硝酸溶液中浸泡7 d，之后將試件進行凍結(jié)，再放入蒸餾水中融化，如此反復(fù)進行凍融試驗；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，然后將試件進行凍結(jié)，再放入相應(yīng)溶液中融化，如此反復(fù)進行凍融試驗。本文以龍門石窟灰?guī)r為研究對象，選擇對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行不同水化學溶液及凍融耦合作用下的凍融循環(huán)試驗研究，為和實際工程一致，整個凍融循環(huán)試驗中試件一直處于水化學溶液中。同時進行僅受水化學溶液侵蝕下的相關(guān)試驗，便于對比分析。最后根據(jù)試驗結(jié)果，分析龍門石窟灰?guī)r在不同水化學溶液及凍融耦合作用下的強度特征及機制，為龍門石窟文物的保護提供理論依據(jù)。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗準備

試驗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的圓柱形標準試件�？紤]到石窟區(qū)雨水pH值為4.38～7.80，而酸性溶液對灰?guī)r又具有較高的溶蝕能力，同時為了加速水化學溶液及凍融耦合侵蝕的進程，便于在短時間內(nèi)研究灰?guī)r的損傷特征，配置了0.01 mol/L，pH = 4的NaCl溶液供試驗用。試驗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)進行試驗，便于進行對比研究。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而導致的。 2.2 試驗方法

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

試驗時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，每個試件所用浸泡溶液均為500 ml；然后進行凍融循環(huán)試驗，試驗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)，進行不同凍融循環(huán)次數(shù)的水化學溶液及凍融耦合作用試驗。每次循環(huán)后進行試件質(zhì)量測定，最后進行單軸壓縮試驗。為了比較凍融損傷作用，同時進行了僅在水化學溶液侵蝕90 d及自然狀態(tài)下試件的單軸壓縮試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 單軸壓縮試驗結(jié)果

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

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

coupled chemical solution and freeze-thaw processes

溶液

強度/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 水化學溶液侵蝕90 d及自然狀態(tài)下試件單軸抗壓強度

Table 2 Uniaxial compressive strengths of specimens under

chemical solutions erosion with 90 d and natural state

試驗環(huán)境 強度/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，試件的強度逐漸下降。在經(jīng)歷90次凍融循環(huán)后，強度都下降很多。與自然狀態(tài)相比，蒸餾水、龍門水和NaCl溶液作用下的強度分別下降了50.73%，54.92%和57.67%，說明水化學溶液及凍融耦合作用對龍門石窟灰?guī)r強度的損傷作用較大，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種水化學溶液下龍門石窟灰?guī)r試件強度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系。由圖1可知，當凍融循環(huán)次數(shù)相同時，蒸餾水中試件的強度下降最少，龍門水次之，，NaCl溶液中試件的強度下降最多。說明化學溶液對灰?guī)r造成的凍融損傷比純水(蒸餾水)更大。

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