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可溶盐是导致云冈石窟砂岩破坏的主要因素之一,本次研究通过现场取样分析和室内模拟实验,研究可溶盐对孔隙砂岩的破坏机理。室内模拟实验通过对温度、湿度的控制来实现可溶盐结晶及其相态的改变,同时对岩样进行变形监测,得出在可溶盐结晶作用下砂岩质量损失、微观结构、宏观力学性质等变化规律。以此来解释在可溶盐作用下,云冈石窟孔隙砂岩破坏的原因,以便更科学地对文物进行保护。
取得的研究成果主要如下:
1.实验设备经改造后,能满足实验要求,在实验过程中,恒温恒湿箱工作稳定,DT85G数据记录完整。根据前人研究成果,保证生成稳定相态的结晶物,在无水硫酸钠试验中设置实验条件为温度35℃,湿度为50%;十水硫酸钠温度为15℃,湿度为73%。
2.随着循环次数增加,由于结晶后晶体挤压力作用而引起岩样膨胀的位移总体上呈现增大的趋势;在每次单独循环中,无水硫酸钠岩样开始位移变化很小,后有一个突然增大的过程,增大到一个值后就趋于稳定;与无水硫酸钠不同,十水硫酸钠结晶下,岩样位移在稳定后围绕稳定值上下波动。结晶过程中,轴向位移比径向位移大,无水硫酸钠结晶过程中,径向与轴向位移比值约为0.4~0.5,十水硫酸钠径向与轴向位移比值在0.4上下波动。
3.在无水硫酸钠实验和十水硫酸钠结晶实验中,结晶后岩样总质量呈现先增加,后减小的趋势。但在无水硫酸钠35次循环样和十水硫酸钠40次循环样中,岩样质量一直在增加,只是随着循环次数的增加,岩样质量增加的速度变缓。导致样品质量变化因素主要两个方面,一个是吸入样品中饱和硫酸钠溶液脱水、结晶导致质量增加;另一个方面为结晶过程中岩石破坏脱落质量降低。
4.实验过程中由测得波速可推算出岩样动弹性模量,经对实验数据分析,岩样动弹性模量呈现先增加后减小至一稳定值的趋势。在无水硫酸钠结晶实验中,动弹模最终稳定在20~25GPa;十水硫酸钠结晶试验中,10次循环样动弹模稳定在35GPa,15、40次岩样动弹模最终稳定在15GPa。
5.随着结晶循环次数的增加,无水硫酸钠结晶试验中岩样强度呈逐渐下降的趋势,最终稳定在23MPa左右,泊松比总体呈下降趋势,岩样的脆性在不断增加;但十水硫酸钠结晶实验中,岩样强度变化与实验次数相关性不大,因此,富水盐对云冈石窟砂岩破坏作用要弱于无水盐。
6.在盐类结晶作用下,岩样结构变化较大。在岩样外表面,岩样变得粗糙,因砂岩颗粒脱落形成较多孔洞;取实验后岩样做SEM侧试,内部砂岩颗粒间胶结物胶变得松散,粒间发育大量可溶盐晶体,局部砂岩颗粒有裂隙发育。