一种快速评价石质文物风化程度的方法★

者 瑞 侯志鑫 张中俭 曲永新

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083； 2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

1 概述

在风化作用下，岩石会形成风化裂隙，同时矿物成分发生改变[1]。风化会导致岩石的强度参数降低，影响岩石工程的稳定性。在工程中，岩石风化程度的评价一般是定性的。根据岩石的颜色、岩石的完整性、矿物成分、化学成分、水理性质及物理力学性质等定性将岩石风化程度划分为未风化、微风化、弱风化、强风化和全风化五个风化等级[2-4]。另外，一些学者利用回弹值、抗拉强度、化学指数等来定量评价工程岩体的风化程度。周学琴等[6]采用岩体回弹仪测得的岩石回弹值及其变化率定量评价西藏澜沧江上游深切河谷段水电站工程岩体的风化程度。傅晏等[7]发现由于干湿循环作用对砂岩不同力学参数的劣化程度不一，采用巴西劈裂抗拉强度等力学参数实验定性来评价砂岩的风化程度。Aydin等[1]发现岩石的受拉行为是评价岩石微观结构和风化状态的有效指标，采用巴西抗拉强度来评价火成岩风化程度。王卫东等[8]测试计算了峨眉山玄武岩样本的化学指数BWI值，提出风化程度的计算公式S=1.669 9ln(BWI)+3.387 7，从而定量划分玄武岩的风化程度等级。

在石质文物风化程度评价中，由于石质文物的文物属性，故其风化程度的评价需要利用无损、微损的方法。孙进忠[9]提出了根据瑞雷波波速变化判断风化程度的无损测量方法，并应用于故宫玉石栏板风化程度的评价中。侯志鑫等[10]使用里氏硬度计测量了云冈石窟新鲜和风化岩样的里氏硬度值，将风化岩石硬度值与新鲜岩石硬度值的比值定义为该种岩石的风化程度，以此来评价石窟岩面的风化程度。

本文给出一种基于自由吸水率快速评价石质文物岩样风化程度的方法。首先定义了劣化指数，劣化指数为石质文物风化岩样的自由吸水率和相同岩性新鲜岩样的自由吸水率的比值，然后现场取样、测试、计算得到不同岩样的劣化指数，依此来定量评价风化岩样的风化程度。最后将上述方法应用于山西大同云冈石窟与承德避暑山庄砂岩与凝灰岩的风化程度评价。

2 方法

将某块状风化岩样的自由吸水率与该类新鲜岩样自由吸水率的平均值的比值定义为该风化岩样的劣化指数K，即：

(1)

其中，Wf,Wz分别为不同风化岩样自由吸水率和新鲜岩样自由吸水率的平均值。劣化指数K值越大，表明岩样的风化程度越高。

对比岩样劣化指数K值的大小，可以快速定量评价其风化程度。根据风化岩样的劣化指数K的范围[a，b]，对风化岩样的风化程度进行评价。岩样劣化指数K的范围将岩样风化程度划分为中等、严重、极其严重三个风化等级，其中当K>1.5时，岩样风化程度为中等；当1.5≤K<2.5时，岩样风化程度为严重；当K≥2.5时，岩样风化程度为极其严重。

3 实例

3.1 云冈石窟砂岩

云冈石窟位于山西大同市北部，大地构造处在华北地台北部边缘云冈块坳中。云冈石窟窟体主要由侏罗纪期间河相沉积形成的砂岩透镜体构成[13]。在目前环境条件下，风化已经成为云冈石窟砂岩目前所面临的严重地质病害之一[14]。其壁面及顶部渗水、凝结水、毛细水，空气污染物作用，盐类的运移膨胀等作用导致了石窟石雕的风化，既影响石窟的美观，又严重威胁石窟的安全[15]。

对山西大同云冈石窟风化剥落岩样和新鲜岩样进行自由吸水率测试。实验共测试了15块风化剥落岩样，取自3,4号洞窟，编号为YF-1-YF-15。新鲜砂岩取自同一层位的新鲜岩芯(倾斜钻孔深度约20 m)，从不同深度的岩芯上取了9块岩样，编号为YZ-1-YZ-9(见图1)。

依据前文提到的试验方法，测得新鲜岩样的自由吸水率平均值Wz为(2.09±0.20)%。同时对15块风化剥落岩样进行自由吸水率测试，并通过式(1)求得上述风化剥落岩样的劣化指数(见表1)。

表1 云冈石窟砂岩劣化指数值

从表1可以看出，砂岩劣化指数的范围为[1.36,2.43]。根据上述的范围，把砂岩的风化程度分为Ⅰ级，Ⅱ级：

1)Ⅰ级为中等，K<1.5，其中YF-8,YF-10为该级风化；

2)Ⅱ级为严重，1.5≤K<2.5，其中YF-1,YF-2,YF-3,YF-4,YF-5,YF-6,YF-7,YF-9,YF-11,YF-12,YF-13,YF-14，YF-15为该级风化。

3.2 承德避暑山庄砂岩和凝灰岩

承德避暑山庄中大殿基座、须弥座等都是由砂岩、凝灰岩制作而成。在不同自然营力的长期作用下，同时由于环境严重污染，避暑山庄内的砂岩、凝灰岩的露天石质文物发生了较为严重的风化病害，甚至出现了不可修复的情况[16]。

依据上文提到的试验方法，对承德避暑山庄砂岩(如图2a)所示)进行自由吸水率测试，并通过式(1)计算风化剥落岩样的劣化指数(见表2)。实验共测试8块风化砂岩样和6块新鲜岩样，前者取自避暑山庄砂质文物上的剥落物。后者取自溥仁寺大块的砂岩柱础。

对承德避暑山庄凝灰岩(如图2b)所示)风化剥落岩样和新鲜岩样进行自由吸水率测试。实验共处理了9块风化凝灰岩样，取自避暑山庄凝灰岩质文物上的剥落物，编号NF-1-NF-9。6块新鲜样取自承德鹦鹉沟采石场，自由吸水率Wz的测试结果为(6.32±0.17)%。同时对9块风化凝灰岩样进行自由吸水率测试，并通过式(1)求得上述风化剥落岩样的劣化指数(见表2)。

表2 承德避暑山庄风化岩样的劣化指数值

承德避暑山庄砂岩劣化指数的范围为[2.23,3.18]，根据上述的范围，把砂岩的风化程度分为Ⅱ级，Ⅲ级：1)Ⅱ级为严重，1.5≤K<2.5，其中SF-1，SF-2，SF-8为该级风化；2)Ⅲ级为极其严重，K≥2.5，其中SF-3，SF-4，SF-5，SF-6，SF-7为该级风化。

凝灰岩劣化指数的范围为[1.17,1.69]，根据上述的范围，把凝灰岩的风化程度分为Ⅰ级，Ⅱ级：1)Ⅰ级为中等，K>1.5，其中NF-1，NF-2，NF-5，NF-6，NF-7，NF-8，NF-9为该级风化；2)Ⅱ级为严重，1.5≤K<2.5，其中NF-3，NF-4为该级风化。

4 结论

本文提出一种评价石质文物风化程度的方法，通过不同风化岩样自由吸水率和新鲜岩样自由吸水率的平均值定义岩样劣化指数，从而快速、真实、准确地量化评价岩样的风化程度，可运用于石质文物风化程度的评价。劣化指数越大，表明岩样风化程度越大，岩样风化也越严重。经取样、测试和计算，得到山西大同云冈石窟、承德避暑山庄砂岩、承德避暑山庄凝灰岩的劣化指数范围分别为[1.36，2.43]，[2.23，3.18]，[1.17，1.69]。根据计算得到不同的风化程度值，划分不同的风化等级。