红砂岩风化机理及石刻保护综述*

孙士宏，汤永净

(1.北京交通大学交通运输学院，北京 100044；2.同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314051；3.同济大学土木工程学院，上海 200092)

1 红砂岩风化机理

1.1 干湿交替(循环)机理

考虑到红砂岩等石刻长期处于干湿交替的环境作用下，对其耐久性非常不利，因此针对干湿交替环境下红砂岩的性质变化规律研究开展较多。张宗堂等采用湖南地区的样本，以侧限膨胀率为目标函数，改变岩体经历的干湿循环次数及干燥温度，采用Sigmoid函数建立包含上述两变量的侧限膨胀率时程模型。李达朗等进行了10次干湿循环试验，研究脆性红砂岩在不同条件下，孔隙率变化特征、破坏形式和声发射特征，通过试验发现，干湿循环主要对岩石内部孔隙发展和破坏胶结作用有一定贡献，是导致风化的原因。王超提出，固结压缩等试验表明，红砂岩风化土的强度和干湿循环次数及幅度有着密切关系，并分析了其内在原因。李刚利用单轴压缩试验、三轴压缩试验、劈裂试验等，得到不同循环次数下的岩石应力、应变曲线，并建立累积损伤本构模型。徐志华等分析不同干湿作用下红砂岩的波速演化规律，提出了基于黏聚力的损伤变量模型。赵勇刚等利用干湿循环的对照试验，对红砂岩风化前后的声发射特性进行研究，并回归得到荷载与声发射累计数的数学曲线。姚华彦等对干湿交替循环的岩石进行单轴和三轴压缩试验，得到其弹性模量、黏聚力、单轴和三轴抗压强度等物理量，并进行比较，表明其力学性质都有不同程度的降低。

另外，岩石在遇水后可能失去黏结力，甚至完全丧失强度，变为不具有强度的松散物质，称为岩石的崩解。对石在干湿循环下崩解性的规律，也有学者进行研究。林志红等通过微观结构、宏观裂缝特征、化学组成方面，对红砂岩的崩解及软化机理进行探讨。赵福登利用室内外试验和PFC三维颗粒流，建立红砂岩的崩解破碎级配曲线演化模型。尹利洁等在自制崩解速率测定仪器的帮助下，结合X射线衍射等试验，采用抗转动颗粒接触模型对崩解过程进行模拟。张宗堂等则利用Weibull分布，建立红砂岩的崩解破碎级配曲线演化模型。各学者建立的红砂岩干湿交替风化数学模型如表1所示。

表1 红砂岩干湿交替循环机理研究模型

1.2 有机酸腐蚀机理

由于空气中所含有的二氧化硫、氮氧化物等物质和酸雨等外界酸性介质会对岩体产生不同程度的腐蚀作用，因此我国学者也进行了该方面的研究。闫斌以广州农讲所旧址上的石柱为研究对象，进行了一定的取样试验之后，发现广州地区经常性的酸雨和红砂岩表面大量吸收的二氧化碳是导致其风化的主要原因。蒋晓东等通过采集广东各地的红砂岩样本进行研究，证实了有机酸的浓度是影响红砂岩风化程度的重要因素，并阐述了风化过程中有机酸起到的重要作用，为红砂岩预防风化提供了理论基础。杨煊宇利用红砂岩浸入不同溶液中，经过一定时间测定其纵波波速，得到影响红砂岩劣化的程度为盐分>酸>碱>纯水。Liu等提出了一种新的双回转崩解试验方法，该试验具有最小的人工干扰性，可更好地关联崩解特性，提高试验的重现性，并增加测试的易用性，基于此方法，研究了不同酸和盐作用条件下的红砂岩耐久性问题，并总结了多种酸和盐在砂岩破碎、崩解、变质方面的机理。

1.3 冻融循环作用机理

冻融作用指的是水分将沿着毛细孔道向岩石内渗透；当温度低于0℃时，其中的水分结成冰，产生膨胀，应力较大时，岩石出现裂缝。岩石表面和内部所含水分冻结，融化交替出现，称为冻融循环。戎虎仁等利用伺服压力机对岩石开展压缩试验，探究冻融次数对岩石强度的影响，并发现随着次数的增加，内部损伤加剧，极易导致结构破坏和强度下降。董浩等所做试验与前者类似，用高清摄像机记录了岩石裂缝开展和岩体破坏过程，并发现随着冻融次数的增加，岩体破坏由拉伸破坏转变为拉剪混合破坏，最后变为剪切破坏。陈溯航等利用三温冻融循环试验仪，模拟自然条件进行单向冻融，揭示了在含水率和冻融次数变化下砂岩的变形规律。沈世伟等测定冻融前后的质量、纵波波速和单轴抗压强度，并研究其变化程度。曹新宇等取山西某地的古砖进行冻融破坏抗压试验，发现冻融循环次数在20次左右时，古砖的开裂荷载和破坏荷载较大，但其强度曲线呈现出上升段和下降段，与前述研究只有下降段的规律不同。

1.4 生物作用

生物作用主要指的是微生物或生长在岩石表面、扎根在岩石内部的植物对岩石风化具有一定的促进作用。早在2003年，陈杰等就针对南极地区的地衣对岩石风化的影响展开研究，并提出地衣会以物理和化学方式参与岩石基质的风化，促进或诱导岩石风化。邵明申等针对承德避暑山庄及周围的建筑石刻文物展开调查，发现岩石潮湿处生长着苔藓和地衣，并有昆虫巢穴，也会加速岩石风化。戎岩聚焦于关中地区的砂岩风化原因，提出砂岩表面的草和苔藓其根系在岩石裂缝中生长，导致岩体风化破裂。

1.5 外部表层剥落机理

红砂岩在受到物理、化学或生物作用后，易导致外部岩石表层剥落，从而导致内部岩石风化。针对红砂岩剥落导致风化机理的研究，国内外学者皆有一定研究成果。朱万成等利用RFPA(radio frequency power amplifier)程序模拟出岩体破碎过程，并研究其在动态荷载作用下的剥落情况，并取得了一定精度。李宏松则对比了北京西黄寺和柬埔寨周萨神庙的岩石材料，发现周萨神庙之所以风化更严重，是其材性较差、生物活动更加频繁和环境降雨导致。杨志法等利用三维激光扫描仪，测量了多组岩石风化剥落的程度，并以此为依据，评价其在长期作用下的抗风化能力，并通过试验测试证明了古人发明的蛎灰勾缝条抵抗风化的能力要高于被勾缝的砌块。周骏一在对乐山大佛损毁情况进行研究时，发现主要是由于风吹日晒和佛身渗水导致其风化严重，而直接原因是佛身的表面剥落。

2 红砂岩石刻保护的技术研究

目前我国红砂岩石刻的保护现状不容乐观，我国石刻保护与修复工作从21世纪开始形成完善的理论体系，并应用于实践。而关于修复材料的探究主要依托石刻研究院，对破损文物进行针对性修复研究。

笔者认为，针对红砂岩石刻的技术保护，基于红砂岩风化机理，主要包括鉴定与加固两部分，在鉴定方面，廖颜萱利用岩芯检测的方法，基于4 000组试验数据，对岩石的主要性质如岩石质量指标、吸水率等进行统计分析，作回归曲线并验证其精度，初步得到各指标间的内在联系，其关于岩体风化带量化研究为工程实践提供一定的理论依据；在进一步研究中，将容重γ作为岩石风化的关键因素，对7种常见岩石的一万多组试验数据进行整理研究，得到岩石指标与容重的相关性回归方程，将影响岩石风化的各类主要指标归于容重，简化各类指标间的内在联系，对工程实践中岩石风化的分类和发展研究具有重要参考价值。Josep Gisbert Aguilar等选取原始采石场样本，分析孔隙特征与岩石病害发展的联系，解释了岩石风化出现在历史建筑而非新建筑的原因，对应于病害机理研究中干湿交替作用下孔隙变化规律研究，另外，研究了尺寸变化而导致的岩石病理，描述了液态水的侵入和水蒸气吸附对岩石的尺寸变化影响，这些对了解所研究岩石的尺寸变化机制具有重要意义，也对岩石损伤鉴定提供了依据。Gregory A.Pope等主要研究了地貌、地质对岩石风化的影响，通过对近期文献的回顾和案例研究，说明岩石风化研究在方法和理论方面取得进展，对文物保护人员来说，实验室研究和自然环境研究在评估石头损坏方面是否真具有相似性和实用性，对地貌学家来说，文化石资料是否与自然环境有真正关联，这些都是未来研究和辩论的问题。

在对红砂岩加固研究中，周萍等将石刻的病害主要归纳为由于风化引起的裂缝、环境导致的表面泛盐、表面粉化剥落、应力裂缝等，并针对成都彭州龙兴寺的石刻提出了保护修复和加固方案。EI-Gohary认为岩石的单轴抗压强度是修复工程中主要参数之一，通过提高矿物颗粒与晶体之间的结合有利于提高材料强度，为岩石的修复提供了新思路。丁梧秀等则提出了一种新型的化学加固材料CRS，这种材料首先会生成反应物填充孔隙，之后利用羟基反应达到加固目的，并通过试验证明了其对红砂岩保护的积极作用。Daniela Rizzo等通过将疏水涂层覆盖在石材表面，提出了一种新的保护与修复方案。Xu等根据X射线荧光光谱分析、X射线衍射、红外射线分析等手段分析的结果，提出一个适当的保护计划，包括清洁和整合步骤，以确定最合适的材料和方法来消除地衣等对岩石性能的影响。

3 结语

本文为“同济”石刻修复的前期工作，对红砂岩风化机理及石刻保护做了文献调研和综述。现有的红砂岩风化机理模型主要依据半经验半理论方式，考虑单一因素影响分析确定风化程度，缺乏系统完备的理论阐述、机理解释和试验方法。此外，针对生物作用和人为作用致风化机理的定量解释尚不充分。各国学者利用不同的化学材料或物理方法，在红砂岩保护修复上取得了一定成果。但各种各样的修复方案针对性较强，适用性不足，还需进行更广泛的试验。