本文围绕石窟保护的关键科学问题和技术问题,建立精细的多学科综合调查与研究体系。针对具有长期复杂演化过程的岩石文物综合体,采用精细地质技术进行石窟岩石材料在环境影响下的劣化进程及劣化影响因素分析研究,目的是揭示在环境变化过程和历史进程中文物岩石材料性能劣化的内在规律,从而指导对保护加固技术的研发工作。在此基础上形成石窟文物保护加固的关键材料体系。在探明岩石材料性能下降的内在规律基础上,以“无机矿物聚合反应”为研究切入点,以增强材料在环境因素影响下的耐久性能为目标,验证“通过无机矿物聚合反应提高保护材料耐久性”这一技术推断,发现了偏高岭土作为活性硅铝质材料进行材料胶结结构设计及岩石文物修复的重要价值。并在此基础上进行进一步深度探索,研究了活性偏高岭土对于提高其它保护材料耐久性的可行性,将其拓展到目前石窟文物保护及岩体结构改良常用的材料体系中,研究其提高既有材料体系耐久性的效果及微观作用机制。在试验验证的基础上进行适宜的加固配比体系在现场的应用研究。形成一类石窟文物保护加固的关键技术措施。主要研究结论如下:（1）通过地质调查及无损检测结果表明刘家峡水库的修建、黄羊河水库的修建、窟顶渗水等,都对石窟的安全赋存造成明显影响。天梯山石窟由于受黄羊河水库影响,水分在渗透压作用下主要通过裂隙和岩体孔隙结构补给于石窟岩体;马蹄寺石窟岩体主要受到雪山融水的补给作用,且越靠近山体顶部的洞窟,岩体含水率越高;炳灵寺石窟在刘家峡水库影响下季节性变化明显,岩体在枯水期仍以受到山体内渗水补给为主;北石窟主要受裂隙水和层间渗水补给作用。对导致石窟岩石材料劣化的环境因素监测结果也进一步表明岩体由于连续的水分补给作用常年处于干湿循环交替状态,岩石材料尤其是浅表层劣化严重。因此研究水与岩石的反复循环作用有助于揭示材料劣化机理。（2）通过针对不同特性的砂岩材料设计饱和-干燥循环试验、室内酸碱侵蚀循环试验、电化学加速侵蚀试验等。揭示了岩石材料劣化的共性特征和个性特征。随着干湿循环次数的增加,样品中主要的胶结物质Fe和Ca元素含量显著降低,通过微观结构试验可观测到颗粒间的胶结物质断裂,胶结结构劣化。宏观表现为抗剪强度参数粘聚力c显著降低而内摩擦角Φ变化不大。模拟酸碱溶液侵蚀作用和电化学加速侵蚀作用均表明,增加有利于岩样内离子迁移的措施均能加速岩石材料性能劣化,不同的破坏形式也与岩石材料的微结构有关。而当胶结物质不同、胶结结构形式不同时,同为红色砂岩的炳灵寺石窟岩样和马蹄寺石窟岩样又表现出不同的性能下降规律。分析认为由于组分不同、组分之间的相互结构关系及界面类型等会影响到晶间键的弱化进程。证明岩石材料内部微观组织及其力学界面强度降低对耐久性的影响很重要。因此,对于岩石材料的加固,增强胶结物的联结并导致形成新的矿物相、使内部微观结构重新排列是重要的加固材料研发思路。（3）合理利用无机矿物聚合的反应机理,以偏高岭土和石灰石粉为重要原材料,研究生成的反应物对于岩石材料进行修复加固的可行性。通过对经典聚合理论参数进行本土化改进与修正,通过“水化+聚合”反应调控技术实现材料的匹配性设计。试验结果证明加固材料体系在物理力学性能、工作性能、耐久性能等方面均可以与岩石材料的性能相兼容。反应前的偏高岭土原材料中铝相以六配位为主,五配位和四配位同时存在,反应后部分铝相转化为四配位,Si-O-Si链中的部分SiO₄基团被A1O₄基团取代,偏高岭土参与反应形成网络聚合结构。由此发现偏高岭土作为活性硅铝质材料进行岩石文物修复的重要价值。经过偏高岭土的“结构增强及结构修饰作用”,所制备的材料体系孔隙结构更均匀,具有更低的吸收率,因而具有比原岩更好的环境稳定性。在反应过程中,可通过调节“聚合+水化”的反应程度合理调控反应物聚合程度,形成与石质文物材料更加匹配的结石体结构,满足对于岩石质文物进行安全和有效加固的作用。（4）由于发现活性偏高岭土进行岩石文物材料胶结结构及耐久性设计的重要价值,将活性偏高岭土应用于提高目前石窟保护所应用的水硬石灰胶凝材料体系的物理力学性能及物质微细观结构性能,试验结果证明具有明显的效果:水硬石灰砂浆中引入偏高岭土,能够降低材料的收缩率,提升体积稳定性,当偏高岭土含量为5%、10%、15%、20%和25%时,复合材料的28d收缩率分别为1.2%、1.0%、0.9%、0.8%和0.6%,相对于水硬石灰砂浆,分别下降20.0%、33.3%、40.0%、46.7和60%;水硬石灰砂浆中引入偏高岭土,能够有效提升材料机械性能,当偏高岭土含量为5%、10%、15%、20%和25%时,56d抗压强度分别提升46.5%、88.4%、153.5%、213.9%和244.2%,56d抗折强度分别提升72.0%、92.0%、116.0%、140.0%和152.0%;从侧面反映出体系微结构性能得到改善和加强。偏高岭土的引入,正好可以弥补原有体系在结构上的不足,作为一种结构修饰材料可以在不明显改变原有体系固有特性的情况下显著改善其稳定性和耐久性。因而可以在岩石质文物修复加固中发挥更好的作用。（5）通过采用活性偏高岭土,对目前石窟危岩体抢险加固水泥材料体系进行合理改性,能够设计制备出具有稳定的强度发展规律、良好工作性、高耐久性的结构加固材料。试验结果表明:将普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥以7.5:2.5进行复掺,并掺加10%的偏高岭土,能够制备出粘接强度较高的加固材料。加入偏高岭土后,能够改善硫铝酸盐水泥水化产物相的界面堆聚形态,使其与既有硬化砂浆结合较好,满足修复补强的要求。该材料体系用于结构修复补强还具有以下优势:高流动性、强度稳定发展,后期强度不倒缩。偏高岭土的掺入提高了硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥复合砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能及抗冻性能,增强了修复补强材料的耐久性。因此,在对有文物体赋存的岩体中进行大体量抢险加固的工程作业时,可选用经偏高岭土改性的水泥材料体系