酸对云冈石窟砂岩的劣化作用试验研究.pdf

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1、第30卷第9期长江科学院院报Vol_30No．92013年9月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteSep．2013DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2013．09．0132013，30(09)：64—68酸对云冈石窟砂岩的劣化作用试验研究严绍军，谭松娥，刘俊红，赵玉波(中国地质大学(武汉)工程学院，武汉430074)摘要：云冈石窟所处的山西省大同市是我国重要的产煤区和煤化工基地，空气污染导致窟区内s0：浓度超标。云冈石窟砂岩主要成分中的

2、长石及钙质胶结物，对酸的作用极其敏感。为模拟硫酸对云冈石窟洞窟岩石的劣化作用，设计了硫酸浸泡劣化试验。通过测量不同pH值硫酸溶液浸泡的砂岩岩样的质量、波速以及溶液的pH值，并对比腐蚀前后岩样的抗压强度、物质结构，来研究硫酸对石窟岩石的破坏机理及其规律。结果表明：酸对此类钙质胶结砂岩的破坏非常迅速，且主要破坏岩石的钙质胶结物；随着反应次数的增加，波速明显降低；酸对岩样表层的作用特别严重；随着胶结物的丧失，岩石强度降低明显。关键词：云冈石窟；砂岩；硫酸；劣化作用中图分类号：TU451文献标志码：A文章编号：1001—548

3、5(2013)09—0064—05同。乔丽萍等对不同水环境下砂岩孔隙率、pH值演变和矿物蚀变进行了研究，发现水一岩作用下1研究背景次生孔隙率的形成机理。李宁等对受酸腐蚀5，云冈石窟所在的大同市是我国重要的产煤基9，14，21d的砂岩的抗压强度试验及CT扫描试验地，丰富的煤矿资源一方面促进了当地经济的发展，结果进行了分析与总结，发现砂岩中主要胶结物另一方面却给当地环境带来了极大困扰。由于工业CaCO的溶解是岩样强度和变形衰减的主要原因。生产和生活用煤、煤矸石堆自燃等，云冈石窟地刘杰等对不同pH值酸性环境中宜昌地区钙质区大

4、气中SO含量严重超标。同时工业生产活动使中一细砂岩的浸泡时间比尺及强度模型进行了研得云冈石窟地区的大气中含有大量的粉尘，粉尘中究，提出了时间比尺的概念，建立了试样腐蚀脱落深的Fe离子催化使SO氧化成SO，SO再与岩石内度与浸泡时间的关系。部的渗水或石雕造像表面的凝结水结合成硫酸，硫本文通过测试试验过程中pH值变化、岩样质酸与砂岩中的长石矿物及钙质胶结物发生反应，造量损失、波速衰减，并对比岩样的强度及微观结构变成风化，从而对文物造成破坏。化，对不同pH值硫酸浸泡作用下云冈石窟砂岩的目前国内许多专家学者对化学溶液作用下岩石

5、破坏规律展开研究。的破坏特性、损伤机制、力学性质等进行了研究。如崔强等运用SEM电镜扫描、X—ray粉晶衍射技术对受化学溶液腐蚀后的砂岩、单裂纹灰岩的微观2试验方法形貌、矿物成分进行分析，发现砂岩孔隙结构的改变2．1岩石试件与石英质矿物的减少有关，建立了水一岩系统的对在本次试验中取云冈石窟砂岩制成50mm×流一反应一扩散模型。杨振峰等对粉砂质泥岩100mm的标准圆柱岩样试件。云冈石窟砂岩为长在多种水环境下岩样质量、强度以及化学环境对岩石石英砂岩，同时，该砂岩主要为钙质胶结(以方解石力学效应的影响机制、环境效应做了研究，

6、发现造石为主，少量白云岩)的电镜扫描结果见图1。岩矿物的溶解作用是岩样强度降低的主要原因。谭2．2试验设计卓英等对3种酸和3种pH值下2种岩样的抗压本试验主要是为了探讨SO，对云冈石窟的破强度、抗拉强度及劈裂法抗拉强度等进行了研究，发现酸与碳酸盐岩及硅酸盐岩发生腐蚀作用的机制不坏，因此选择HSO作为本次试验的试验溶液。收稿日期：2012—07—05；修回日期：2012—08—10作者简介：严绍军(1973一)，男，四川绵竹人，副教授，主要从事不可移动岩土文物保护研究工作，(电话)027—67883507(电子信箱)sh

7、jyancug@sina．tom。第9期严绍军等酸对云冈石窟砂岩的劣化作用试验研究1鼍鼍2．5§L——L—05——10——15—一201．5—10—I520075口3黟f．『1．鼍薹5．5测点测点(c)岩样yg3(pH=3)(d)岩样yg4(pH=4)-．-第2次第11次一第23次图1云冈新鲜砂岩样的SEM图图2岩样在单个循环中酸反应过程Fig．1SEMimageoffreshYungangsandstonesampleFig．2Thereactionbetweenrocksamplesandacid试验采用常温常压静

8、水浸泡。以7d为一个循insinglecycle环，每个循环包括：将岩样用硫酸溶液静水浸泡(每试验测试点来直接表示。次循环开始前按表1配制新的酸溶液)，每天在相由图2(b)至图2(d)均可看出，岩样在浸泡初同时刻测试溶液的pH变化值，直至数据趋于稳定；期与酸反应强烈，pH值快速增大，随着循环次数的称岩样饱和重量及波速；烘干(烘箱的