硫酸盐对麦积山砂砾岩风化影响的试验研究

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由于渗水及盐分作用,麦积山石窟崖体出现粉化、起壳甚至剥落现象。本文基于国家文物局“关于麦积山石窟危岩体加固及渗水治理二期工程立项的批复”(文物保函[2015]718号),通过研究麦积山石窟砂砾岩基本性质,对从试验区实地采取的砂砾岩岩芯试样分别实施质量分数为5%的MgSO4溶液与5%的Na2SO4溶液毛细迁移以及循环劣化室内试验,测试试验过程中盐溶液毛细迁移高度、岩样质量、弹性波速、岩样抗压与抗拉强度等参数,分析两种盐溶液运移、结晶富集、宏微观破坏特征以及两者之间的差异;计算循环劣化试验过程中两类盐溶液产生的结晶压力理论值。由此可得出以下结论:(1)对麦积山石窟采取的岩样进行XRD粉末衍射试验、颗粒密度及块体密度试验、吸水率及饱和吸水率试验、单轴强度测试试验。试验结果表明,麦积山石窟砂砾岩矿物成分主要为石英、长石、方解石以及粘土矿物等,除此之外还含有少量云母,其中粘土矿物主要为高岭石与伊蒙混层。矿物颗粒大小不一,分选性较差,胶结方式为泥质胶结。平均岩石颗粒密度与块体密度分别为2.66g/cm3与2.40g/cm3,干燥状态下平均吸水率为2.19%,平均饱和吸水率为3.23%;岩石平均抗压、抗拉强度不高,分别为11.67MPa与0.8MPa。(2)两种盐溶液在砂砾岩中运移规律受环境影响以及盐分的不同,表现出较大差异。试验发现,敞开环境下,质量分数为5%的MgSO4溶液在砂砾岩中毛细前锋的高度与时间呈现正相关,拟合后运移速率为5.58×10﹣5cm/s;质量分数为5%的Na2SO4溶液在砂砾岩中的运移呈现多阶非线性曲线特征。密封环境下,MgSO4与Na2SO4两种溶液的运移高度与时间均呈现正相关趋势,拟合后速率分别为7.24×10-5cm/s、7.19×10﹣5cm/s。(3)盐溶液运移过程中,如果外部环境存在水分的蒸发,盐溶液浓度会升高,达到过饱和时会出现结晶体。观察试验过程中岩样表面特征发现,在水分蒸发作用下,两种溶液在运移过程中均会出现结晶现象,不过结晶富集特征有所不同。MgSO4主要结晶富集于岩样靠内部位置,岩样表面盐分累积较少;Na2SO4主要在岩样表面富集,并且结晶数量相对较多,分布面积较广。水分蒸发前期,逐渐在岩样表面形成大面积含水量较大的Na2SO4晶体,而到水分蒸发后期,由岩样上部向下部逐步形成盐壳。(4)两种盐分对于砂砾岩的微观与宏观破坏特征以及时效性均有所差异。环境扫描电镜下观察试验表明,微观状态下,MgSO4主要使得靠近砂砾岩内部矿物表面产生“放射型”裂隙,进而增加了岩石整体的孔隙率;Na2SO4附存于岩石表面孔隙中,随着数量与体积的增多,造成矿物表面逐步出现粉化现象。宏观状态下,MgSO4在砂砾岩表面破坏相对较弱,主要是在内部产生裂隙,并逐渐扩展到岩样表面;Na2SO4在岩样表面大量富集,结晶后使得岩样表面出现粉化、剥落现象,并且由外向内、由上向下逐步进行。并且由宏观特征以及各参数值降低程度发现Na2SO4要比MgSO4对于砂砾岩的破坏更为迅速。(5)通过利用Corren方程对两种盐溶液在循环劣化试验过程中所产生的结晶压力理论值进行计算。计算结果表明,Na2SO4溶液循环劣化作用下的岩样在第2至第3次循环过程中开始产生结晶压力,并随循环次数增加,所产生的结晶压力理论值逐渐增大。6次循环结束后,结晶压力理论值为33.4MPa;MgSO4溶液作用下的岩样在前7次循环劣化过程中均未产生结晶压力,至第8次至第9次循环过程中产生9.94MPa的理论结晶压力。
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