水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究

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第34卷 第x期 丁梧秀等：水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究 3

硝酸溶液中浸泡7 d，之后将试件进行冻结，再放入蒸馏水中融化，如此反复进行冻融试验；陈有亮等[18]将试件先放入4种不同浓度硝酸溶液中浸泡作为酸性处理后的试块，然后将试件进行冻结，再放入相应溶液中融化，如此反复进行冻融试验。本文以龙门石窟灰岩为研究对象，选择对岩石侵蚀损伤最大的NaCl酸性溶液以及石窟泉水和蒸馏水进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的冻融循环试验研究，为和实际工程一致，整个冻融循环试验中试件一直处于水化学溶液中。同时进行仅受水化学溶液侵蚀下的相关试验，便于对比分析。最后根据试验结果，分析龙门石窟灰岩在不同水化学溶液及冻融耦合作用下的强度特征及机制，为龙门石窟文物的保护提供理论依据。

2 试验材料与方法

2.1 试验准备

试验所用岩样为龙门石窟灰岩，取自龙门石窟所在区域的东山，矿物成分主要为方解石和少量白云石。岩样取回后被加工成直径50 mm，高100 mm的圆柱形标准试件。考虑到石窟区雨水pH值为4.38～7.80，而酸性溶液对灰岩又具有较高的溶蚀能力，同时为了加速水化学溶液及冻融耦合侵蚀的进程，便于在短时间内研究灰岩的损伤特征，配置了0.01 mol/L，pH = 4的NaCl溶液供试验用。试验中还选取了蒸馏水和已经与岩石发生作用的龙门石窟泉水(pH = 7.85)进行试验，便于进行对比研究。龙门石窟泉水的pH值为弱碱性，主要是由于泉水流经呈碱性的灰岩而导致的。 2.2 试验方法

龙门石窟所在地区冬季最低气温－5 ℃以下，最冷可达－10 ℃，日平均气温6 ℃，因此确定冻融循环温度为－10 ℃～10 ℃；按每天进行一次冻融循环计，每个循环周期确定为24 h；进行冻融循环周期分别为15，40，65和90次的不同水化学溶液及冻融耦合作用试验，即最长冻融试验时间按1个季度考虑。

试验时将试件分别浸泡于龙门石窟泉水、蒸馏水和配制的NaCl溶液中，每个试件所用浸泡溶液均为500 ml；然后进行冻融循环试验，试验过程中试件一直浸泡于溶液中。首先将盛放试件及溶液的器皿放入－10 ℃的低温试验箱中冻结12 h，再放入

10 ℃的恒温箱中融化12 h。如此反复，进行不同冻融循环次数的水化学溶液及冻融耦合作用试验。每次循环后进行试件质量测定，最后进行单轴压缩试验。为了比较冻融损伤作用，同时进行了仅在水化学溶液侵蚀90 d及自然状态下试件的单轴压缩试验。

3 试验结果与分析

3.1 单轴压缩试验结果

单轴压缩试验采用位移控制速率，大小为0.12 mm/s。表1为龙门石窟灰岩试件在不同水化学溶液及冻融耦合作用下的单轴抗压强度，表2为水化学溶液侵蚀90 d及自然状态下试件的单轴抗压强度。

表1 不同水化学溶液及冻融耦合作用下试件单轴抗压强度 Table 1 Uniaxial compressive strengths of specimens under

coupled chemical solution and freeze-thaw processes

溶液

强度/MPa 冻融15次

冻融40次 冻融65次 冻融90次 蒸馏水 103.73 84.04 72.15 59.96 龙门水 100.84 77.16 68.84 54.86 NaCl溶液

99.11

76.17

63.72

51.51

表2 水化学溶液侵蚀90 d及自然状态下试件单轴抗压强度

Table 2 Uniaxial compressive strengths of specimens under

chemical solutions erosion with 90 d and natural state

试验环境 强度/MPa 蒸馏水 95.43 龙门水 93.85 NaCl溶液 86.74 自然状态

121.69

3.2 不同水溶液及冻融耦合作用下强度损伤分析

从表1可以看出，3种水溶液中，随着冻融循环次数的增多，试件的强度逐渐下降。在经历90次冻融循环后，强度都下降很多。与自然状态相比，蒸馏水、龙门水和NaCl溶液作用下的强度分别下降了50.73%，54.92%和57.67%，说明水化学溶液及冻融耦合作用对龙门石窟灰岩强度的损伤作用较大，并且随着冻融循环次数的增多，损伤逐渐增大。

图1为3种水化学溶液下龙门石窟灰岩试件强度与冻融循环次数关系。由图1可知，当冻融循环次数相同时，蒸馏水中试件的强度下降最少，龙门水次之，，NaCl溶液中试件的强度下降最多。说明化学溶液对灰岩造成的冻融损伤比纯水(蒸馏水)更大。

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