DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.12.018

基于砂岩冻融敏感性的遗迹劣化预测

廖茹雪^{1, 2},谌文武^{1, 2},王南^{1, 2},刘伟^{1, 2}

（1. 兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州，730000；

2. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000）

摘要:选择炳灵寺石窟微风化和中风化白垩纪砂岩，根据石窟小气候及水环境特征设计参照组、干燥冻融组、饱水冻融组和干湿冻融交替组4组物理加速风化试验，共进行24次循环，对比它们在每6个循环周期后的劣化模式、孔隙参数及波速的变化，以及循环结束后力学参数、粒径分布、胶结物含量、微观结构、颗粒形态和微孔隙含量等的变化。研究结果表明：较高风化程度砂岩的内部孔隙更容易被改造；围压越高冻融循环越剧烈时，风化程度对岩石三轴压缩强度、残余强度的影响越小；干湿冻融与饱水冻融循环能大幅降低2种风化程度砂岩的胶结物含量，将其变为疏松粗颗粒骨架结构，使其粒径更趋于均匀集中。试样峰值强度与有效孔隙率之间较好的拟合关系可用于指导工程实践。

关键词:砂岩风化；风化程度；冻融循环；三轴试验；敏感性

中图分类号:TU452    文献标志码:A     文章编号:1672-7207（2019）12-3084-13

Forecast of heritage deterioration based on freeze-thaw sensitivity of sandstone

LIAO　Ruxue^{1, 2}, CHEN　Wenwu^{1, 2}, WANG　Nan^{1, 2}, LIU　Wei^{1, 2}

(1. School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；

2. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China, the Ministry of Education of China, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Abstract: Two weathering-degree cretaceous sandstones were selected from Bingling Temple Grottoes, and four groups of physical accelerated weathering tests, including reference group, dry freeze-thaw cycles (F-T cycles) group, saturated F-T cycles group, dry-wet and freeze-thaw cycles(D-T and F-T cycles) group, were conducted according to microclimate and water environment of the grottoes on them. There were 24 cycles in the tests, and their deteriorated patterns, changes in pore parameters and wave velocities after every six cycles were compared, as well as variations in mechanical parameters, grain size distribution, cement content, microstructure, particle morphology and micropore content at the end of cycles. The results show inner pores of high weathering-degree sandstone are more easily to be reconstructed. The higher confining pressure and the stronger weathering effect make weathering degree have less influence on triaxial compressive and residual strength of sandstone. D-T and F-T cycles as well as saturated F-T cycles can greatly reduce the contents of cements in two-weathering-degree sandstones and change them into loose coarse-grain-skeleton structure, and the particle size becomes more concentrated. A good fitting relationship between peak strength and effective porosity can be used to guide engineering practice.

Key words: sandstone weathering; weathering degrees; freeze-thaw cycles; triaxial test; sensitivity

当岩石圈内的岩石暴露于大气圈、水圈和/或生物圈时，其原始赋存环境的平衡系统被打破从而产生岩石的风化^[1]。此时，自然界中循环的水和温度成为岩石风化的主要驱动力^[2]。温度主要通过控制水分传递及其与大气交换的速率来控制岩石的化学、物理和生物的风化过程^[3]。同时，温度的循环交替也会使岩石中产生热应力和温度梯度，导致各种矿物之间的热膨胀不协调^[4-6]。频繁的水分传递和循环使岩石产生粉化、剥落和掏蚀等病害，这取决于岩石的化学成分、矿物成分、粒径和水的作用方式等^[7-9]。自然界中最常见的水与温度的共同作用导致岩石强烈物理风化的方式就是冻融循环。刘家峡水库于1967年建成，炳灵寺石窟因坐落于库尾而受到水库小气候影响，降雨区域特征明显，持续时间短，年降雨量450.7 mm，年蒸发量1 457 mm，每年有5~7次暴雨^[10]，平均最高温度35.1 ℃，最低温度-14.3 ℃。水库蓄水抬高了当地侵蚀基准面，窟前大寺沟由以前强烈的侵蚀下切区变为泥沙沉积区，致使窟前泥沙大量沉积，如今底部洞窟已有很多淤埋在泥沙中。张明泉等^[11]认为炳灵寺石窟存在的主要环境地质问题为崖壁渗水、风化及构造裂隙、危石、底层窟龛潮湿酥碱和窟前泥沙淤积等。李最雄^[12]对炳灵寺168窟和169窟强烈风化的砂岩胶结物进行X线衍射分析(XRD)、扫描电镜观察和差热分析，认为其泥质中较高含量的蒙脱石与水的相互作用是炳灵寺风化的主要内因。王亨通^[13]对窟龛内进行了为期3 a的气象记录分析，认为较大的昼夜温差、年温差与湿度变化共同作用是造成炳灵寺砂岩严重物理风化的主要外部因素。很多学者研究了砂岩在不同冻融条件下的物理力学特性，如：负温饱水状态下红砂岩的破坏形态与温度和围压的关系^[14]；岩性及冻融循环对红砂岩和页岩损伤力学特性的影响^[15]；砂岩初始状态(饱水、干燥)对冻融循环后其物理力学特性的影响^[16]，但不同风化程度的岩石对不同含水量下冻融循环敏感性的对比研究较少，尤其缺少有关炳灵寺白垩纪砂岩物理力学性质的研究。因此，本文作者根据炳灵寺石窟小气候及水环境特征，为同一层位的2种风化程度的砂岩分别设计了参照组、干燥冻融组、饱水冻融组和干湿冻融交替组4组物理加速风化试验，通过观察其在不同循环次数后劣化模式、孔隙参数、粒径分布、力学参数及微观形貌的变化，比较二者的微观劣化机制及对相关物理风化作用的敏感性，从而预测了窟区不同风化程度砂岩劣化的类型、位置、程度，为对石窟小区域内红层砂岩的研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1　砂岩样选择

本研究使用的砂岩分别取自窟区旁出露的同时代水平厚层砂岩(高程为1 741m)向内0~30、40~70和100~120 cm处。0~30 cm处岩样母体结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块；40~70 cm处岩样母体岩质较新鲜，结构基本未变，仅节理面有渲染略有变色且有少量风化裂隙；100~120 cm处岩石未发生明显变化，风化程度非常小，根据野外特征将其划分为新鲜岩石，用其波速来确定另外2种风化砂岩的程度。

先将所有完整岩块沿着岩石沉积方向切割和打磨成高100 mm、直径为50 mm的标准圆柱试样(相邻表面之间角度为90°±0.25°)，然后按“工程岩体试验方法标准”(GB/T 50266—2013)^[17]对样品进行相对密度、干密度、饱和吸水率、波速和抗压强度测试。采用里氏硬度计(TH110)测试每个试样表面5个固定位点的表面硬度，每个位点测试10次，去除最大值和最小值后取平均值作为试样的硬度。根据工程地质手册^[18]中岩石风化程度分类的野外特征和波速比指标进行岩样的分类和综合筛选。新鲜岩样只测定了纵波波速(2 682~2 778 m/s)，用于确定另外2类试样的波速比。选取微风化和中等风化砂岩标准样各12个，其物理力学参数及分类依据如表1所示。

表1　2种风化程度砂岩的分类及基本物理力学参数

Table 1　Classifications of two-weathering-degree sandstones and fundamental physical and mechanical parameters

1.2　砂岩的矿物学及岩石学特征

选典型砂岩样品制成标准薄片在偏光显微镜(Scope A1 YQ031)下观察，其显微照片如图1所示，其中，Q为石英，Pl为斜长石，Kf为钾长石。微风化和中等风化样品均由碎屑物和填隙物组成，其中，微风化样品主要为中细颗粒(粒径0.06~0.40 mm)，碎屑物占91%(石英占52%，斜长石+钾长石占34%，岩屑占3%，黑云母+白云母占2%，电气石+锆石微量)，填隙物占9%(钙质占3%，铁质占2%，泥质占4%)。中等风化砂岩粒径主要集中于细粒(粒径0.06~0.15 mm)，碎屑物占87%(石英占61%，斜长石+钾长石占26%，岩屑微量)，填隙物占13%(泥质占8%，钙质占3%，铁质占2%)。从填隙物成分及相对含量可知，炳灵寺砂岩胶结物以泥质为主，其次是钙质和铁质。对比2组砂岩的显微照片和岩石学数据可知，中等风化砂岩的斜长石聚片双晶强烈黏土化，部分被黏土矿物集合体完全代替，粒径范畴较微风化砂岩更为集中，磨圆度更高，这与风化作用对岩石改造的规律一致。

图1　2组风化程度砂岩的显微照片

Fig. 1　Microphotographs of two weathering-degree sandstones

对2种砂岩样品进行X线衍射分析，结果如表2所示。经对比，2种试验所测得矿物成分及其质量分数较为一致。2组风化程度的砂岩中石英质量分数均大于50%，长石(酸性斜长石和钾长石)质量分数均大于25%，符合长石砂岩的定名要求。

表2　X线衍射半定量分析结果(质量分数)

Table 2　XRD semi-quantitative analysis results %

1.3　试验方法

将2种风化程度的试样分别分为4组(H-1~H-4，L-1~L-4)，每组3个试样。试样的加速风化过程如表3所示。第1组试样为参照组；第2组为干燥试样在-15~35 ℃的冻融过程，只模拟外界温度变化(年温差)对2种风化程度砂岩的影响；第3组为饱水试样在-15~35 ℃的冻融过程，研究水和温度变化对2种风化程度砂岩的影响(例如，长期浸泡在饱和淤泥中的底部洞窟受水和温度变化的影响)。第4组为干湿冻融交替循环试样，研究砂岩内部含水条件的变化和外部环境温度变化的共同作用对微风化和中风化砂岩的影响，用于模拟暴雨后快速蒸发、黄河涨退潮、水库蓄水和排水等因素影响的石窟区域。

表3　试验风化过程设置

Table 3　Settings of weathering process

冻融试验共进行24次循环(每个循环耗时24 h)，每循环6次后试验暂停。将所有的样品放入烘箱以105 ℃(±1 ℃)烘12 h至恒质量，然后测试所有试样的体积、质量和波速(ULT-100)，再将所有试样抽真空后进行饱和吸水率测试，从而计算每6个循环后2种风化程度的砂岩的有效孔隙率和孔隙率。在下个循环周期开始前，参照组试样和干燥冻融组试样再次被烘干，饱水冻融组试样和干湿冻融交替组试样再次被饱水，以确保各组试样在试验中的初始状态保持不变。由于测指标前试样被烘干和真空饱水的过程会对岩样产生一定影响^[19]，因此，参照组试样需要在每6次循环的间隔和其他试样一起被烘干或被饱和，但是不参与冻融循环。24次循环结束后，对每组3个试样进行三轴压缩试验，并在各组典型试样表面同一位置处取样进行粒度测试和拍SEM照片观察微观结构变化。

2 结果与分析

2.1　劣化模式对比

2种风化程度典型岩样在不同冻融循环试验后的劣化照片如图2所示。由图2可见：微风化和中等风化砂岩试样在试验后表现出了不同程度但却相似的劣化模式。1) 除参照组以外的所有试样均出现了颗粒脱落(粉化)现象，出现的先后顺序为试样L-3，H-3(H-3-1除外)，L-4，H-4，L-2和H-2，说明颗粒脱落与岩石风化程度和冻融循环的剧烈程度密切相关；2) 试样均出现了片状剥离，发生于颗粒脱落之后，主要沿饱水冻融和干湿冻融岩样的边角处发育；3) 在干湿冻融交替循环试验组中出现了裂隙，主要沿岩性分界处和原生缺陷处发育。参考组和干燥冻融组试样在循环结束后并未出现肉眼可见的表观破坏。

图2　典型岩样冻融循环后的劣化照片

Fig. 2　Deterioration images of typical samples after F-T cycles

2.2　有效(开孔)孔隙率和孔隙率变化

有效(开孔)孔隙率和孔隙率都是表征岩石孔隙度的参数，前者反映岩石内的连通孔隙的相对密度，后者则反映岩石内所有孔隙的体积分数。每6次循环后将岩石烘干至恒质量，测量体积，再采用真空抽气法饱水、称质量。岩样饱和吸水率w_p、有效孔隙率n_o和孔隙率n分别由式(1)~(3)计算：

(1)

(2)

(3)

其中，m_sat为岩样的饱水质量；m_dry为岩样的干质量；ρ_d为岩样的干密度；ρ_w为水的密度；ρ_s为岩石颗粒相对密度。图3所示为微风化和中风化岩样在不同循环周期后的有效孔隙率和孔隙率变化。

在冻融循环中，由于岩样的干密度损失，孔隙率持续增大，有效孔隙率的变化趋势可分为2种。一种是仅有轻微波动(试样H-1，L-1和H-2)，原因主要是：虽然试样H-1与L-1不参与冻融，每6次循环后依旧会导致少量岩样表层物质的损失，但其内部孔隙的数量变化不大；而试样H-2由于风化程度较低，干燥冻融循环对于岩样内部孔隙的增加有限，没有超过质量损失带来的影响。另一种是岩样有效孔隙率在循环结束后均有增加(试样H-3，H-4，L-2，L-3，L-4)，此时，冻融作用引起的有效孔隙度的增加超过了质量损失引起的孔隙度减小。同一冻融条件下，中风化砂岩的有效孔隙率增量比微风化岩样的更大。由于中风化砂岩内部孔隙的初始连通度较大，与微风化岩样相比，其对冻融循环更加敏感，因此，其内部孔隙更有可能被外部环境(如水和温度变化)改造。试样H-4的有效孔隙度在前6个或12个周期内呈下降趋势，然后上升超过初始有效孔隙率。这是因为循环初期岩样质量损失对孔隙率的减少量大于冻融作用引起的连通孔隙率增量，但接下来持续的冻融作用使二者互换角色。试样H-3和L-3在后期受冻融循环影响非常严重，试样出现严重的片状剥离，导致其体积难以准确测量，出现了有效孔隙率大于孔隙率的情况，但是仍能反映出其有效孔隙率随冻融循环明显增加。

图3　不同循环周期后岩样孔隙参数的变化

Fig. 3　Variations in pore parameters of samples after different cycles

统计学检验显示，在显著性水平P<0.05下，各试验组相对于参照组的孔隙率数据均有显著性差异，且经历的冻融循环条件越苛刻(有水存在)，P越小，差异越显著，但不同风化程度的初始岩样在经历同种冻融循环后，孔隙数据差异性并不显著。

2.3　波速变化

波速与无侧线抗压强度密切相关^[20-21]，因此声波测速广泛应用于无损检测，它能反映出岩石的整体力学特性。图4所示为各组试样在经历不同次数冻融循环后的波速降低程度(相对于冻融试验前测得的波速)。

图4　不同循环次数后各组试样波速降低比例

Fig. 4　Percentage reduction of wave velocity of samples in each group after different cycles

所有试样(包括参照组)在每6次循环的冻融过程中波速均有所降低，除参照组外，最大的波速降低均发生在前6个循环，然后逐渐变慢。从整个循环周期来看，饱水冻融循环试样波速降低最大(试样H-3波速降低了38.57%，试样L-3降低了39.24%)，其次为干湿冻融循环试样(试样H-4降低了27.58%，试样L-4降低了25.30%)和干燥冻融循环试样(试样H-2降低了15.79%，试样L-2降低了24.61%)。然而经历饱水冻融和干湿冻融循环后，2种风化程度的砂岩在波速降低比例上没有明显差异，干燥冻融组和参照组微风化试样的波速降低程度比中风化试样的小。这意味着当冻融循环条件较为恶劣时(饱水冻融或干湿冻融)，不同风化程度砂岩力学特性的整体退化没有显著差异，若循环中无水参与，仅经历温度变化时，风化程度较低试样的整体力学性能受冻融循环影响较小。

2.4　三轴试验

三轴试验在RMT-301试验机上进行。考虑到实际情况中，风化岩石在浅表地层往往处于小围压下的三向受力状态，各试验组的3个试样分别设置围压为0.25，0.50和1.00 MPa，围压速率为0.1 MPa/s，行程速率为5 mm/s。

2.4.1　应力-应变关系　

图5所示为不同围压下岩样的应力-应变曲线。2种风化程度砂岩的三轴曲线基本符合典型岩石应力-应变曲线，包括孔隙压密阶段、弹性增长阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段。由于围压较低，砂岩试件的压密阶段较为明显，但1.0 MPa围压下的试样H-1和H-2除外，说明风化程度越低、围压越高时，压密阶段越不明显。同一围压下，相同风化程度的砂岩，当经历的冻融循环越剧烈，应力-应变曲线与参照组试样的相差越大，整体强度越低。相同围压、同一冻融循环条件下，微风化砂岩均较中等风化砂岩的压缩强度高，曲线直线段斜率更大。

2.4.2　强度参数　

图6所示为各试验组试样在3个围压下的峰值应力和应变。从图6可见：随着围压的升高，同一冻融条件下微风化组的峰值应力与中风化组的差距逐渐减小，例如，与围压0.25 MPa时相比，围压1.00 MPa时，试样H-2与L-2，H-3与L-3，H-4与L-4的应力差分别减小了74%，52%和34%，说明围压越大，风化程度对岩石三轴压缩强度的影响越小。相同风化程度岩样在同一围压下的强度由大到小依次为：参照组、干燥冻融组、干湿冻融组、饱水冻融组。岩样破坏时的应变随围压的增加而降低，且各试验组中风化岩样在1.00 MPa围压下的应变趋于相近。说明风化程度越高，围压越大，不同的冻融条件对岩样破坏时的应变影响越小。

图5　不同冻融循环条件下试样的三轴应力-应变曲线

Fig. 5　Triaxial stress-strain curves under different F-T cycles

表4所示为各试验组岩样的黏聚力、内摩擦角及弹性模量。由于中风化岩样中石英含量较高，故内摩擦角比微风化岩样的稍大。由于应力-应变曲线呈非线性变化，本文选取其中近似直线部分的斜率作为弹性模量。总体来看：冻融试验后，微风化和中等风化岩样的黏聚力、内摩擦角都比参照组的低，且试样H-3的黏聚力降低最明显，说明饱水冻融循环会使岩石内部的胶结物很快流失。干燥冻融对黏聚力的减小并不明显，但对微风化岩石颗粒之间的内摩擦角有明显的降低(64.60°~60.54°)。不同围压下试样弹性模量的变化与试样的强度变化遵循着相似趋势。围压越大，相同风化程度同一冻融循环下岩样的弹性模量越高；冻融循环越剧烈，相同围压同一风化程度的岩样弹性模量越小。

图6　试样的峰值强度和破坏时的应变

Fig. 6　Peak strength and failure strain of samples

表4　各组试样的黏聚力、内摩擦角及弹性模量

Table 4　Cohesion, internal friction angle and elastic modulus of samples in each group

2.4.3　风化程度、冻融条件对残余强度的影响　

图7所示为不同围压下风化程度、冻融条件对砂岩抗压残余强度σ_r的影响规律。由图7可知：3种冻融循环均能够明显降低微风化和中等风化岩样的残余强度，从降低程度来看，降低最大的是饱水冻融组试样，其次是干湿冻融组，最后是干燥冻融组，如微风化试样H-2~H-4在0.25 MPa时的残余强度相对参照组分别降低了55%，47%和30%。同时也说明有水参与的冻融循环对同种风化程度岩样的残余强度降低更明显。增加围压能明显提高各试验组的残余强度，且经历的冻融循环越剧烈，提高程度越大，如：与0.50 MPa相比，微风化砂岩试样H-1~H-4在1.00 MPa下的残余强度分别提高了20%，40%，55%和87%。同一围压下，微风化砂岩残余强度均高比经历同种冻融循环的中风化砂岩的高，冻融循环越剧烈(有水参与)，2种风化程度砂岩的残余强度越趋于接近，风化程度对砂岩的残余强度影响越小。

图7　不同围压下岩样残余强度与冻融条件的关系

Fig. 7　Relationships between residual strength and freeze-thaw conditions of samples under different confining pressures

2.5　有效孔隙率与峰值强度的关系

图8所示为砂岩有效孔隙率与峰值强度关系。不同围压下微风化与中风化试样的峰值强度均随有效孔隙率的增加而呈现较好的线性降低趋势，其拟合表达式为

(4)

式中：为峰值应力；为有效孔隙率；和为拟合参数。

图8　有效孔隙率与峰值强度的关系

Fig. 8　Relationship between effective porosity and peak strength

随着围压增加，微风化砂岩的a₁先增大1.3倍，b₁先增大83%，然后均保持稳定；而中风化砂岩的a₁一直在较稳定范围内(-2.15~-2.72)波动，b₁的增长趋势也从25%减小到8%。总体来说，微风化砂岩的峰值强度对围压的升高更为敏感，变化更剧烈，而中风化砂岩波动范围较小。此外，围压为0.50 MPa时2种风化程度砂岩的拟合曲线较0.25 MPa时的更接近，甚至在1.00 MPa时相交，说明围压越高，风化程度对同一有效孔隙率的砂岩峰值强度影响越小。

3 砂岩冻融劣化的微观机制

在不同冻融循环组试样表面0~10 mm处取样，并在扫描电镜下观察其微观形貌，其结果如图9和图10所示。2种风化程度的初始砂岩(参照组)中石英、长石、云母等构成了砂岩的粗粒骨架部分，中风化砂岩中石英解理面受风化腐蚀呈鳞片状剥落，且孔隙数量较微风化砂岩的多。虽然在扫描电镜下不能准确判断所有胶结物，但是均发现了伊利石和蒙脱石，以及少量鳞片状黑云母和绿泥石。结合显微镜观察、X线衍射分析和扫描电镜观察结果可知，砂岩胶结物包括钙质(主要是它形粒状的亮晶方解石)、铁质(褐红色铁质氧化物)、泥质(蒙脱石、伊利石、少量方解石、少量鳞片状黑云母及绿泥石)、硅质(微量，以石英碎屑的自生加大边和石英微晶的形态存在)，其中，泥质含量最高，以孔隙式胶结为主。

图9　微风化试样显微照片

Fig. 9　Micrographs of experimental weak weathering groups

图10　中等风化试样显微照片

Fig. 10　Micrographs of experimental medium weathering groups

3.1　胶结物含量及微结构的变化

对比图9和图10可知，相对参照组，仅干燥冻融组的胶结物含量变化最少，二者均为粗颗粒骨架-黏粒絮凝结构；而干湿冻融组与饱水冻融组胶结物含量均大幅降低，颗粒间连接松散，变为疏松且不规则的粗颗粒骨架结构。但是，同一冻融条件下的微风化较中等风化岩样的结构仍然较为致密。胶结物的流失主要是由于：浸水时，泥质胶结物尤其是蒙脱石与水作用膨胀，胶结物稳定性骤然丧失并发生崩解，冻融过程(尤其是饱水冻融和干湿冻融循环)中产生的裂缝又为胶结物的流失提供了很好的通道，反复数次后产生了胶结物大量流失的结果。

3.2　粒度的变化

为了更精确对比微风化和中风化砂岩在不同冻融循环后粒度成分和含量的变化，利用激光粒度仪对各组试样表面0~10 mm处取样进行测试，颗分曲线如图11所示。可见：微风化砂岩在3种冻融循环后胶结物(粒径<0.03 mm)、中砂(粒径0.25~0.5 mm)和粗砂(粒径0.5~1.0 mm)的质量分数均有所下降，同时细砂(粒径0.10~0.25 mm)和粉细砂(粒径0.03~0.10 mm)的质量分数明显增加。而中等风化砂岩冻融后，粉细砂和胶结物含量减少，细砂含量增加，中砂含量无明显变化。总的来说，2种风化程度的砂岩在饱水或干湿冻融后偏离参照组粒度曲线的程度比干燥冻融组的大。另外，微风化砂岩大颗粒(中、粗砂)含量的损失导致其中值粒径d₅₀在各冻融循环后有明显的衰减；而中风化砂岩的d₅₀由于小颗粒(胶结物)含量的降低和细砂的补充而呈现出小幅的上升趋势。2种风化程度砂岩在冻融循环后粒度分布相对均匀，这与ZHANG等^[22]研究冻融循环对莫斯科冰碛土的粒度组成影响结果相似。

3.3　颗粒形态及孔隙变化

显微照片显示，随着冻融循环的加剧，粗颗粒表面絮凝状物质逐渐减少，颗粒表面趋于光滑。由于干湿冻融、饱水冻融中冰的巨大膨胀力和水对矿物的溶蚀，岩样内部产生大量微孔隙和微裂隙(图9(d)和图10(d))，岩样孔隙总表面积增大。

3.4　微观作用机制

干燥冻融主要依靠温度变化使矿物颗粒间产生不均匀的应力梯度。干湿和饱水冻融时，由于冰在产生和侵入岩石颗粒时的巨大冻胀力以及融沉过程中颗粒体积的缩小与不均匀沉陷导致微裂隙和微孔隙产生。显微镜下观察到炳灵寺砂岩填隙物中胶结物以泥质为主，有水参与的冻融循环中，1) 黏土矿物不均匀吸水膨胀从而使岩石内部产生不均匀的应力；2) 黏土矿物浸水后晶胞间距增大或扩散层增厚，黏土胶结物崩解，而碎屑颗粒之间失去联结造成重力解体；3) 可溶性矿物强烈溶蚀。微裂隙和微孔隙虽然对于透水性而言意义不大，但是由于微裂隙吸附效应，所吸附的水分不仅会覆盖住整个微孔隙和微裂隙的表面，而且还产生一种楔裂力^[23]，使孔隙向纵深发展，从而导致其强度进一步降低。

图11　砂岩不同冻融循环后的粒径分布变化

Fig. 11　Variations in grain size distribution of sandstones after various freeze-thaw cycles

4 讨论

不同风化程度的岩石在严格控制的同一加速风化试验中会表现出相似的劣化模式，但出现的时间不同。风化程度越高意味着黏土矿物含量越高，这些矿物与水作用后更容易丧失稳定性而崩解、流失。风化程度较高的砂岩还具有更大的开孔孔隙率，其内部孔隙在开放空间中更容易被水流等外界环境改造。

根据本研究可初步预测小区域内砂岩遗迹劣化的类型、位置、程度：1) 在与外界一样有温度变化但与水环境隔离的部位(如开放性洞窟)的保存情况一般较好，但在温差变化剧烈部位(接受光照时间最长)易出现颗粒脱落(图12(a))。2) 长期淤埋的底部洞窟，承受围压较大，因此岩石中原有的微孔隙微裂隙大多已被压密，冻融循环后不容易产生宏观裂隙，其抗压强度受风化程度影响弱于其余部位的洞窟的风化程度。同时，由于围压影响水在孔隙中的流动，其开孔孔隙率相对开放空间岩体较小。3) 水库蓄排水、黄河涨退潮所影响的部位、裸露崖体、季节性渗水部位等常常承受干湿冻融交替，所受围压很小，因此微孔隙微裂隙发育且易被外界改造，极易产生的劣化模式是片状(块状)剥离(图12(b))和裂隙(图12(c))，一般此处岩石的强度也最低。

图12　炳灵寺石窟不同部位典型劣化模式

Fig. 12　Typical deterioration patterns in different spots of Bingling Temple Grottoes

5 结论

1) 相同岩性不同风化程度的砂岩在同一冻融循环条件下出现相似的劣化模式，裂隙和片状剥离仅出现在有水参与的冻融循环试样。

2) 冻融循环足够剧烈时，有效孔隙的增加会超过物质损失引起的总孔隙减少。风化程度较高的砂岩内部孔隙更容易被外部环境改造。饱水冻融和干湿冻融后，2种风化程度砂岩力学特性的整体退化没有显著差异，而无水参与的干燥冻融循环中，风化程度较低试样的整体力学性能受冻融循环影响较小。

3) 低围压三轴压缩试验中，经历的冻融循环越剧烈，岩样应力应变曲线与参照组的相差越大；围压的增加可以提高岩石的压缩和残余强度；风化程度越高、冻融循环越剧烈时，微风化和中风化砂岩的应变和强度参数的差距减小。

4) 不同围压下试样的峰值强度与有效孔隙率均呈现较好的线性拟合关系，可指导工程实践。

5) 干湿冻融与饱水冻融能大幅降低2种风化程度砂岩的胶结物含量，将其由粗颗粒骨架-黏粒絮凝结构变为疏松的粗颗粒骨架结构，使岩样内部产生不同尺度的微孔隙和微裂隙。开放体系中的冻融循环会使不同风化程度砂岩的粒径分布向相对集中和均匀的方向发展。

参考文献：

[1] BENAVENTE D, CULTRONE G G H. The combined influence of mineralogical, hygric and thermal properties on the durability of porous building stones[J]. European Journal of Mineralogy, 2008, 20(4): 673-685.

[2] LOURENCO P B, LUSO E, ALMEIDA M G. Defects and moisture problems in buildings from historical city centers: a case study in Portugal[J]. Building and Environment, 2006, 41(2): 223-234.

[3] MCALLISTER D, WARKE P, MCCABE S. Stone temperature and moisture variability under temperate environmental conditions: implications for sandstone weathering[J]. Geomorphology, 2017, 280: 137-152.

[4] EPPES M C, MAGI B, HALLET B, et al. Deciphering the role of solar-induced thermal stresses in rock weathering[J]. Geological Society of America Bulletin, 2016, 128 (9/10): 1315-1338.

[5] HALSEY D P, MITCHELL D J, DEWS S J. Influence of climatically induced cycles in physical weathering[J]. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 1998, 31(4): 359-367.

[6] WEISS T, SIEGESMUND S, KIRCHNER D, et al. Insolation weathering and hygric dilatation: two competitive factors in stone degradation[J]. Environmental Geology, 2004, 46(3/4): 402-413.

[7] SHAO M, LI L, WANG S, et al. Deterioration mechanisms of building materials of Jiaohe ruins in China[J]. Journal of Cultural Heritage, 2013, 14(1):38-44.

[8] ISRAELI Y, EMMANUEL S. Impact of grain size and rock composition on simulated rock weathering[J]. Earth Surface Dynamics, 2018, 6(2): 319-327.

[9] FRANZINI M, LEONI L, LEZZERINI M, et al. Relationships between mineralogical composition, water absorption and hydric dilatation in the “Macigno” sandstones from Lunigiana(Massa, Tuscany)[J]. European Journal of Mineralogy, 2007, 19(1): 113-123.

[10] 赵雪芬, 贺延军, 闫海明, 等. 大寺沟淤沙对炳灵寺石窟的影响及治理措施[J]. 敦煌研究, 2015(4): 136-140.

ZHAO Xuefen, HE Yanjun, YAN Haiming, et al. Influence of silt sediments on the Binglingsi Grottoes and resulting treatment measures[J]. Dunhuang Research, 2015(4): 136-140.

[11] 张明泉, 张虎元, 许敬龙, 等.炳灵寺石窟保护面临的主要环境地质问题[J]. 干旱区资源与环境, 1996, 10(1): 58-63.

ZHANG Mingquan, ZHANG Huyuan, XU Jinglong, et al. Environmental geologic problems in protection of Bingling Grottoes[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 1996, 10(1): 58-63.

[12] 李最雄. 炳灵寺、麦积山和庆阳北石窟寺石窟风化研究[J]. 文博, 1985(3): 66-75.

LI Zuixiong. Weathering research of Bingling Temple Grottoes, Maijishan Grottoes and North Grottoes of Qingyang [J]. Wenbo, 1985(3): 66-75.

[13] 王亨通. 温差变化对炳灵寺石窟的影响[J]. 敦煌学辑刊, 1990(2):106-111.

WANG Hengtong. The influence of temperature change on the Bingling Temple Grottoes[J]. Journal of Dunhuang Studies, 1990(2): 106-111.

[14] 单仁亮, 杨昊, 郭志明, 等. 负温饱水红砂岩三轴压缩强度特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(S2):3657-3664.

SHAN Renliang, YANG Hao, GUO Zhiming, et al. Experimental study of strength characters of saturated red sandstone on negative temperature under triaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(S2): 3657-3664.

[15] 张慧梅, 杨更社. 岩石冻融力学实验及损伤扩展特性[J].中国矿业大学学报, 2011, 40(1): 140-145.

ZHANG Huimei, YANG Gengshe. Freeze-thaw cycling and mechanical experiment and damage propagation characteristics of rock[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2011, 40(1): 140-145.

[16] 方云, 乔梁, 陈星, 等. 云冈石窟砂岩循环冻融试验研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(9): 2433-2442.

FANG Yun, QIAO Liang, CHEN Xing, et al. Experimental study of freezing-thawing cycles on sandstone in Yungang grottos[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(9): 2433-2442.

[17] GB/T 50266—2013. 工程岩体试验方法标准[S].

GB/T 50266—2013. Standard for test methods of engineering rock mass[S].

[18] 常士骠, 张苏民. 工程地质手册[M]. 4版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007: 17-19.

CHANG Shibiao, ZHANG Sumin. Engineering geology handbook[M]. 4th ed. Beijing: China Building Industry Press, 2007: 17-19.

[19] NICHOLSON D T, NICHOLSON F H. Physical deterioration of sedimentary rocks subjected to experimental freeze-thaw weathering[J]. Earth Surface Processes & Landforms, 2015, 25(12):1295-1307.

[20] NEFESLIOGLU H A. Evaluation of geo-mechanical properties of very weak and weak rock materials by using non-destructive techniques: Ultrasonic pulse velocity measurements and reflectance spectroscopy[J]. Engineering Geology, 2013, 160: 8-20.

[21] PAPPALARDO G. Correlation between P-wave velocity and physical-mechanical properties of intensely jointed dolostones, peloritani mounts, NE Sicily[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, 48(4): 1711-1721.

[22] ZHANG Z, PENDIN V V, FENG W J, et al. The influence of freeze-thaw cycles on the granulometric composition of Moscow morainic clay[J]. Sciences in Cold and Arid Regions, 2015, 7(3): 199–205.

[23] 范一林, 李青云, 陈智勇. 水布垭页岩软化特性的微观研究[J]. 长江科学院院报, 1998, 15(3): 47-49.

FAN Yilin, LI Qingyun, CHEN Zhiyong. Microscope study on softening characteristics of shale in Shuibuya project[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 1998, 15(3): 47-49.

（编辑 赵俊）

收稿日期： 2019 -01 -25; 修回日期： 2019 -04 -17

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通信作者：谌文武，教授、博士生导师，从事地质工程、岩土工程和文物保护工程研究；E-mail: sungp@lzu.edu.cn