龙门石窟裂隙防渗灌浆新材料试验研究

赵　莽，严绍军，何　凯，窦　彦，方　云，翟国林

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉　430074； 2.广州市地下铁道总公司，广州　510000)

龙门石窟裂隙防渗灌浆新材料试验研究

赵莽1，严绍军1，何凯1，窦彦1，方云1，翟国林2

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉430074； 2.广州市地下铁道总公司，广州510000)

摘要：因龙门石窟早期使用的超细水泥和环氧树脂材料在后期存在着耐久性较差、泛盐碱等问题，迫切需要选出更有效的裂隙防渗灌浆新材料，以满足龙门石窟的防渗要求。通过对研发的偏高岭土、天然水硬性石灰、硫铝酸盐水泥等5组材料配方的流动性、收缩性、抗压抗折强度等特性进行对比分析，得出偏高岭土、天然水硬性石灰、膨润土3种材料配方适合于现场灌浆。在现场灌浆试验中，确定了灌浆压力为0.1～0.4 MPa，并对材料的可灌性和灌浆参数进行了探讨与分析。同时，为评价灌浆效果，对灌浆材料28 d后的固化程度、密实度、充填程度、黏结程度等进行检验分析，结果表明偏高岭土材料配方的灌浆效果最佳，为更适合于龙门石窟裂隙防渗的灌浆材料。

关键词：龙门石窟；防渗灌浆；抗压抗折强度；灌浆压力；可灌性

1研究背景

龙门石窟开凿于洛阳伊河两岸的碳酸盐岩岩壁上，包含佛塔40余座，窟龛2 300余个，碑刻题记3 600余块，人物造像10万多尊，展现了中国北魏晚期至唐代期间最具规模和最为优秀的造型艺术，为研究中国的佛教历史和古代雕刻艺术提供了重要的实物资料。龙门石窟是中国闻名世界的三大石窟之一，于1999年被列入世界文化遗产目录[1-3]。

但至今1 500多年以来，在长期的地质营力和人为因素的影响下，龙门石窟产生了诸多严重的环境地质病害，如风化、渗水、溶蚀、裂隙切割等；其中，渗水的破坏性最大，影响最为突出[1-3]。石窟区的岩性以寒武纪和奥陶纪的灰岩和白云岩为主，在长期的地质构造和风化营力等作用下，窟区岩体发育有大量的层面裂隙、构造裂隙和卸荷裂隙，裂隙彼此相互切割窟区岩体及人物造像，使岩体表面产生破坏，发生剥落掉块，也为渗水提供了良好的渗漏通道[1-2]。水体沿裂隙下渗，作用于可溶性岩体，使造像表面产生溶蚀病害及次生生物病害，同时加剧了石窟岩体的物理破坏作用，使石窟内造像均遭受了不同程度的破坏[1-4]。龙门石窟渗水主要以短期渗漏为主，具有持续性和反复性，从渗水病害的形成机理分析可知，防渗是治理龙门石窟渗水病害的根本途径[4]，主要方法是对补给区岩体进行防渗灌浆，而选择合适的灌浆材料是防渗工程中的关键性问题。

国内外的众多学者对灌浆材料在岩土工程及文物保护方面的应用作了众多研究。魏涛等[5]、汪在芹等[6]对环氧树脂化学灌浆材料的性能进行了研究，并将其运用到断层破碎带固结灌浆、溶蚀带基础防渗等工程中去，取得了良好的效果。敦煌研究院文物保护研究所将PS加固材料(高模数的硅酸钾溶液)成功应用到安西榆林石窟、河仓城等[7]石(土)质类文物的保护中；赵林毅等[8]、李黎等[9]和李最雄等[10]在对中国传统水硬性石灰(仰韶水泥)研究的基础上，对烧料礓石和烧阿嘎土2种水硬石灰的基本物理力学性能及环境影响因素进行试验分析，表明阿嘎土和烧料礓石经高温焙烧改性后可作为一种很好的砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆材料。在国外，用于文物保护修复的材料主要包括无机、有机及复合材料等，英国曾用石灰水加固WellsCathedrals的雕刻作品[11]；Banthia等[12]在利用丙烯酸树脂对印度的石质文物进行加固修复保护时，发现丙烯酸树脂对石质文物具有很强的渗透性能，对文物内部的藻类及菌类具有良好的灭杀作用；Fasssina等[13]研究过水硬性石灰对历史建筑物修补的受潮的影响。

龙门石窟在前期的防渗灌浆中，主要采用环氧树脂和超细水泥2种灌浆材料，效果较为明显[14]，但在后期的使用过程中均存在一定问题：超细水泥碳化后孔隙率增加，由于其含盐量较高，容易析出，在雕像表面产生泛盐碱现象，破坏其表观色彩；而环氧树脂与裂隙中附着的泥质、钙质充填物的衔接性差，材料本身的收缩大，易开裂，耐久性较差。因此迫切需要选择出更有效的裂隙防渗灌浆的新材料，以满足龙门石窟的防渗要求。

本文在对室内研发的5组材料配方的特性对比分析的基础上，提出了适合进行现场灌浆的优选配方；通过现场试验，确定了各配方的现场灌浆压力、水灰比、灌浆半径等，形成了一套适合龙门石窟裂隙现场灌浆的施工工艺流程，并筛选出最佳的防渗灌浆材料，为同类石窟的渗水病害治理提供了有效的解决途径和值得借鉴的研究方法。

表1　4种材料的化学组分

2室内试验

2.1原材料

室内试验主要以偏高岭土(MK)、天然水硬性石灰(NHL2)、膨润土(BT)、硫铝酸盐水泥(SLC)4种材料为主剂，以超细水泥、水玻璃、氢氧化钠、微硅粉、粉煤灰等为辅剂，并添加了一些外加剂，如减水剂、消泡剂等。按照正交试验的方法，通过不断地调整主剂和辅剂之间的配比，形成一系列的材料配方，4种主材料的化学组成如表1所示。

2.2试验内容及优选配方

试验主要从各材料配方的流动性、凝结时间、抗渗性、黏结强度等性能进行筛选分析。其中，流动性试验参考《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T2419—2005)测试浆体30min和1h的流动度；凝结时间、收缩率、抗压强度和黏结强度参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009)进行测定；收缩率和强度的测定条件是干养护7d或28d，试样尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm；抗渗性和抗折强度的测定依据《水工混凝土试验规程》(DL/T5150—2001)进行，抗渗性的测试的试样尺寸为φ50mm×60mm，抗折强度试样尺寸为160mm×40mm×40mm，养护龄期均为28d；易溶盐含量的测定参考《公路土工试验规程》(JTJ-051—93)。

通过测定各浆体的硬化过程及硬化后的力学强度等性能，筛选出水硬性石灰配方(NHL)、偏高岭土配方(MK01和MK02)、膨润土配方(BT)及硫铝酸盐水泥配方(SLC)如表2所示。

表2　5组最优配方

注：SLC的水灰比为0.5。

2.3结果对比分析

2.3.1流动度

图1　流动度对比分析Fig.1　Comparison of fluidity

浆体流动性直接决定了材料在进行现场灌浆时可灌性的好差，流动度越大，可灌性越好。图1为5组配方流动度对比图。由图1可知，硫铝酸盐水泥配方的流动度最大，1min后的流动度高达324mm，但其30min后的流动度损失较为明显，达11.4%，主要是因为硫铝酸盐水泥是一种快硬型的水泥；天然水硬性石灰的流动度最小，1min和30min后的流动度分别为130mm和150mm；其他3组配方1min和30min的流动度相差不大，均在150mm左右。各组配方的流动度均满足裂隙防渗灌浆的流动度>120mm的要求。

2.3.2凝结时间

凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间一般不宜过短，现场灌浆时，从拌合灌浆材料到灌浆开始有一定的间歇时间，若浆体初凝过快，在实际灌浆中所需的灌浆压力会增大，浆体的可灌性变差；终凝时间不宜过长，材料灌入到导水裂隙中后应能够较快达到终凝并产生强度，以防被裂隙中渗水带走，不能有效起到防渗堵漏的作用。

图2　凝结时间对比分析Fig.2　Comparison of setting time

由图2可知，SLC(硫铝酸盐水泥)的初凝和终凝时间最短，初凝时间为95min，终凝时间为125min，这与硫铝酸盐水泥凝结较快的特性相符合；加入膨润土的BT配方所需的凝结时间最长，初凝时间为370min，终凝时间为415min，原因是膨润土的加入使材料体系的凝结速率减低，但从而也保持了其流动度相对稳定；其他3组材料配方的凝结时间介于BT和SLC两种材料之间。对比2种偏高岭土配方材料可以看出，随着超细水泥含量的降低、偏高岭土含量的升高，材料的凝结时间降幅很大，主要是因为超细水泥是控制整个材料凝结速率的主要因素，其含量的降低必然会导致凝结时间的延长。整体而言，5组材料配方均满足现场灌浆凝结时间(<12h)的要求。

2.3.3收缩率

在进行裂隙灌浆时，材料的收缩性对防渗的效果起到重要的作用，当收缩值较大时，容易在材料中间或材料与岩体的接触面上产生新的裂缝，防渗效果则会降低；若材料在后期有一定的微膨胀性，会使材料和岩体之间的黏结程度有所增加，则会进一步提高材料的灌浆效果。

在5组配方中，膨润土配方(BT)7d和28d龄期的收缩率分别为0.58%和0.34%，收缩性较大，容易产生开裂，主要是因为膨润土中含有大量亲水性矿物蒙脱石所造成的，制样时蒙脱石吸水膨胀，试样中水分含量较高，随时间推移水分的流失，导致其收缩性较大；硫铝酸盐水泥7d和28d的收缩率分别为-0.024%和0.04%，可以看出，SLC具有一定的微膨胀性，这样可相对提高灌浆水泥与裂隙岩体之间的紧密程度，主要是因为灌浆体处于受限制状态，会产生一定的压应力，从而提高浆体与岩石基体的结合程度；其他3组配方7d和28d前后的收缩率变化不大，且收缩性也较小，如MK02配方，7d和28d的收缩率分别为0.033%和0.025%，可见试样的体积基本趋于稳定，变化不大(图3)。

图3　收缩率对比分析Fig.3　Comparison of shrinkage rate

2.3.4抗渗性

材料的抗渗性是评价灌浆效果的重要指标之一，也是决定材料好差的关键因素。本次研究的灌浆材料主要用于文物修补，如果抗渗性较差，则会导致灌浆效果不理想，仍可能继续渗水，不仅会影响材料的修复寿命，还有可能会增大泛盐碱的可能性。

图4　抗渗性对比分析Fig.4　Comparison of impermeability

图4为5组材料配方渗透系数的对比图。由图4可知，以膨润土为主剂的配方渗透系数最小，为1.847×10-9cm/s，可见其抗渗性较好。原因是膨润土将高分子聚合物一端吸附在膨润土颗粒表面，而另一端溶于水使膨润土颗粒和水分子之间产生了一种间接的联系，形成一种联接作用，减少了试样中的自由水，从而到达降低渗透性的目的；2组以偏高岭土为主剂的配方MK01和MK02渗透系数均较大，分别为4.732×10-8cm/s和7.172×10-8cm/s，比其他配方的渗透系数大一个数量级，相对来说抗渗性较差；NHL和SLC配方的渗透系数相差不大，分别为1.257×10-8cm/s和9.25×10-9cm/s。总体而言，5组配方的渗透系数均低于10-7cm/s，完全能满足石窟对材料抗渗性能的要求。

2.3.5力学性能

裂隙防渗灌浆是为解决渗水问题而进行的，具有长期性作用，因此材料应具有良好的抗冻融性、耐久性等，而材料的力学性能则是评价灌浆后期效果的重要指标，若材料的抗压强度、抗折强度等力学强度越高，则材料的抗冻融性、耐久性、抗风化性就越好，其工程性质越好，反之亦然。针对石窟文物的特殊性，试验还考虑了用于评价材料与岩体之间黏结紧密程度的黏结强度指标，以便能更好地评价灌浆材料的工程性质。

2.3.5.1抗压强度

图5为5种材料配方的抗压强度对比分析图。由图5可知，硫铝酸盐水泥的抗压强度最大，材料7d的抗压强度为20.2MPa，28d后的增幅较大，达19.4%；天然水硬性石灰的抗压强度较小，7d和28d的抗压强度分别为3.16MPa和6.71MPa，其强度增幅最大，达到112.34%。

图5　抗压强度对比分析Fig.5　Comparison of compressive strength

对比5组材料的配方可知，抗压强度的大小与水泥的含量有关，基本呈正相关的关系，如硫铝酸盐水泥的抗压强度最大，原因是其本身就是一种水泥系列，而天然水硬性石灰配方中的超细水泥含量为10%，在5组配方中最低，故其抗压强度较低；MK01和MK02两组偏高岭土配方7d的抗压强度分别为7.24MPa和3.76MPa，28d抗压强度分别为9.25MPa和5.98MPa，虽然MK02配方中的偏高岭土含量比MK01增加了5%，有利于提高材料的抗压强度，但MK01的抗压强度高于MK02，主要原因是MK01中的超细水泥含量较高。由此可以看出，材料的抗压强度主要由水泥的含量所决定，同时对比MK01，MK02和BT配方可知，随着偏高岭土含量的增加，抗压强度的增幅较为明显，原因是偏高岭土的火山灰反应生成的凝胶堵塞了材料内部的结构孔隙，在一定程度上有利于提高材料的抗压强度和抗渗性。

2.3.5.2抗折强度

图6为5组材料配方28d的抗折强度对比图。由图6可知，硫铝酸盐水泥配方(SLC)和膨润土(BT)配方的抗折强度分别为6.5MPa和5.8MPa，远高于其他3组配方，MK02配方的抗折强度最低，为0.508MPa；材料配方的抗折强度基本与超细水泥的含量呈正比，对比2组偏高岭土配方可知，材料强度大小本质上是由超细水泥决定的，其次偏高岭土也起到一定的作用，而硅粉、激发剂等添加剂的加入也会在一定程度上提高材料的强度，如硅粉的加入是材料内部的孔隙尺寸减小，从而提高了材料的强度及抗渗性；SLC配方由于材料主剂本身属于一种水泥种类，其力学性质指标较高；而天然水硬性石灰的抗折强度较高的原因可能是水硬性石灰的含量较高，加快了材料的硬化速度，增加了材料的早期抗折强度。

图6　抗折强度对比分析

2.3.5.3黏结强度

材料配方黏结强度的大小直接反映出材料与灌浆基体直接的紧密程度。试验采用直接拉拔试验法来测定材料黏结强度，黏结强度大小与试样的破坏方式有关，如图7中膨润土(BT)和硫铝酸盐水泥(SLC)配方的破坏面与岩石接触面，其黏结强度最低，分别为2.88kPa和6.66kPa；天然水硬性石灰(NHL)的断裂面为拉断面，黏结强度最大，为120kPa；2组偏高岭土配方MK01和MK02的拉断面中，部分为材料与灰岩的接触面、部分为材料的断裂面，其黏结强度分别为66.25kPa和41.64kPa；且当硬化浆体的拉断面积越大时，黏结强度越高。

图7　黏结强度对比分析Fig.7　Comparison of bonding strength

图8　易溶盐含量对比分析Fig.8　Comparison of dissolving salt content

与材料的抗折强度、抗压强度相比，黏结强度的数量级仅为kPa级，主要是因为在黏结强度检验过程中，模拟灌浆的基岩较为光滑，材料与基岩之间难以紧密地结合在一起，界面的相互黏结程度非常有限。因此，在进行力学强度检测时，2个界面结合力很弱，容易发生分离，与实际条件存在差异，不能充分反映试样的黏结特性，因此在这一方面还需要进行深入的研究，探索出反映材料黏结特性的科学检测方法。

2.3.6易溶盐含量

材料含盐量的高低直接关系到泛盐碱现象的程度大小，因此对各配方材料的含盐量进行了测定，如图8所示。图8中CXSN表示超细水泥。

由图8知，超细水泥的易溶盐总量为40.166g/kg。其他的5组配方中，天然水硬性石灰(NHL)的易溶盐总量最高(34.134g/kg)为超细水泥的84.9%，主要是水硬性石灰中氧化钙溶于水形成氢氧化钙等碱性物质析出所形成的，且NHL配方中腐蚀性较高的Cl-，SO42-等离子的含量较高，Cl-和SO42-的含量分别为0.193g/kg和7.181g/kg，SO42-的含量超过了超细水泥(5.664g/kg)，这些离子在材料后期使用过程中容易析出，在造像表面富集，腐蚀文物。

硫铝酸盐水泥(SLC)配方的易溶盐总量也较高，为9.626g/kg，是超细水泥的23.9%，可能是硫铝酸盐水泥水化产生的硫铝酸钙、铝胶等碱性矿物析出形成的，但该配方的Cl-，SO42-等离子的含量较低，故碱性远小于天然水硬性石灰。其他3组配方的易溶盐总量均较低，范围是2.918～4.501g/kg，但这3组配方中的Cl-，SO42-等离子的含量较高，对石窟岩体仍具有较大的腐蚀性，易出现泛盐碱现象，如偏高岭土配方MK01的易溶盐总量为4.291g/kg，但Cl-和SO42-的含量分别为0.189g/kg和1.298g/kg，其中Cl-的含量接近于NHL配方。

材料中Cl-和SO42-的主要危害主要包括物理破坏和化学破坏2个方面。物理破坏是指这些危害离子进入材料内部，随着材料水分的蒸发，导致内部溶液饱和，离子以结晶的方式析出，不仅影响石质文物的美观，同时也对文物表面产生溶蚀，造成文物表面剥落掉块；化学作用是指Cl-和SO42-等危害离子与材料内部的成分发生化学反应而带来的危害，如SO42-离子与材料中的碱性组分发生反应，生成钙矾石、石膏等膨胀性物质，不仅会在文物表面析出，同时在材料内部产生一定的膨胀压力，使材料的结构发生破坏，导致材料的抗渗性及后期强度材料都大幅度降低。因此要对易溶盐中易于在石窟岩体表面析出的离子成分进行深入研究。

3现场灌浆试验

3.1灌浆材料及设备

针对龙门石窟具体的工程地质条件及工程地质问题，结合室内试验对各材料配方的流动性、收缩性、抗渗性、抗压抗折强度等特性对比分析的结果，得出以天然水硬性石灰(NHL)、偏高岭土(MK01)和膨胀土(BT)3种材料为主剂的配方较适合于现场灌浆。灌浆时所需的试验设备主要包括：灌浆机1台、风枪1台，Φ16mm和Φ38mm的钻机各2台、空压机和搅拌机各1台等。

3.2试验区分布及试验点布置

本次现场灌浆主要选取层面裂隙、构造裂隙和卸荷裂隙较为发育的区域进行灌浆，主要包括万佛洞(A区)、四雁洞南侧洞窟(B区)和东山石窟北冲沟(C区)。其中，A区主要是层面裂隙灌浆，设置有2个小试验区，在1号试验区有1个试验点(A-1)，该试验点布置有3个Φ38mm的灌浆孔，间距为0.5m，孔深450mm；2号试验区有4个试验点(A-2至A-5)，该区共布置有12个灌浆孔，且均分布有同一层面处。B区主要为构造裂隙和卸荷裂隙灌浆，共设置有3个试验点，布置了9个Φ16mm的灌浆孔，平均孔深350mm。C区主要为构造裂隙灌浆，选择了5个试验点，布置了14个Φ16mm的灌浆孔。

3.3灌浆的工艺流程

3.3.1灌浆工序

现场灌浆时，对于层面裂隙，钻孔的钻进方向垂直于裂隙面，而对于构造裂隙和卸荷裂隙，钻进方向则平行于裂隙面；且当裂隙面较紧闭时，必须沿裂隙面进行注浆，原因是灰岩和白云岩的渗透性极差，一旦钻孔偏斜，灌浆将无法进行。

本次试验主要采用二序孔，且灌浆孔的布置主要为线型，其中一序孔的间距为1.0m，二序孔的间距为0.5m，具体的布置示意图如9所示。

图9　现场灌浆试验钻孔布置Fig.9　Layout of boreholes for grouting test

图10　P-Q关系曲线Fig.10　Relationshipbetween P and Q

3.3.2灌浆压力

为取得良好的灌浆效果，需要确定各试验区合理的灌浆压力范围值，并对钻孔的可灌性及裂隙内部的充填情况有所了解。灌浆压力是通过压水来确定的，对各区进行压水试验，从而绘制了注水压力(P)和流量(Q)的关系曲线。图10为A-4-1试验点的P-Q曲线，其幂函数方程为y=0.036 1x1.415 2，可靠度R2=0.982 9。由图10可知，在一定压力范围内，压力越大，注水量则越大，可近似认为灌浆液在钻孔和层面裂隙中的流动近似为层流。

通过压水试验，可大致确定A试验区试验点裂隙连通性较好。当压水压力为0.4MPa时，表面层有被抬动的迹象，可知注水压力过大，可初步确定A试验区的灌浆压力范围为0.1～0.3MPa。

对B试验区注水时，水量变化较大，原因可能是裂隙内部有钙质沉积物或环氧树脂封堵材料存在，且该区域构造裂隙和卸荷裂隙发育，裂隙开口差异性较大，同时可能有溶洞存在。进行逐步加压，可初步判断B试验区的灌浆压力范围为0.1～0.4MPa。

C试验区因局部裂隙的张开度较大，水流量不均匀，裂隙内部的充填物较多，灌浆压力范围为0.1～0.3MPa。

3.3.3现场施工工艺流程

结合以前环氧树脂和超细水泥的现场施工经验[14]，可确定本次现场灌浆试验的工艺流程为：试验区和试验点的确定→灌浆孔布置→钻孔→洗孔→插管和封缝→压水试验→压力灌浆→清洗现场→拔管封缝→灌浆效果评价。在进行现场灌浆时，各试验点灌浆材料的分配情况如表3所示。

表3　各试验点灌浆材料分配

4灌浆结果及效果检验

4.1灌浆参数及可灌性分析

现场灌浆试验根据灌浆量大小对可灌性进行划分，划分标准及现场各灌浆孔号的具体情况如表4和表5所示。

表4　可灌性划分标准

通过对各试验孔灌浆量、灌浆压力现场灌浆水灰比等参数进行统计分析，可得到以下结论：

表5　现场各试验点钻孔灌浆情况

(1)NHL灌浆材料对于层面裂隙的张开度>0.5mm时，灌浆压力为0.1～0.4MPa，水灰比为0.7～0.9，可灌性较好；水灰比<0.7时，可灌性较差。当裂隙面张开度<0.5mm时，其可灌性较差；对于构造裂隙，由于裂隙面近闭合，裂隙面张开度<0.5mm，灌浆压力0.4MPa，可灌性一般或较差。

(2)MK01灌浆材料对于层面裂隙的张开度>0.5mm时，灌浆压力为0.1～0.3MPa，水灰比为0.5～1.0，可灌性很好。裂隙张开度越大，可灌性越好；水灰比<0.5时，可灌性一般；当裂隙面近闭合时，浆液可灌性较差。对于构造裂隙，由于裂隙面近闭合，灌浆压力为0.4MPa，可灌性一般或较差。

(3)BT灌浆材料对于层面裂隙的张开度>0.5mm时，灌浆压力为0.1～0.3MPa，水灰比为0.5～1.0，可灌性较好；水灰比<0.5时，可灌性较好；当裂隙面张开度<0.5mm时，浆液可灌性一般或较差。对于构造裂隙，由于裂隙面近闭合，灌浆压力0.4MPa，可灌性较差。

(4) 对于张开度>0.5mm的卸荷裂隙，3种灌浆材料均可使用，建议灌浆的参数：水灰比0.8，灌浆压力0.3MPa；张开度<0.5mm时，可适当水灰比至1.0～2.0，并且增大设计灌浆压力。

4.2灌浆效果检验

4.2.1检验方法

裂隙的防渗灌浆属于隐蔽性工程，对灌浆效果的合理评价是确保灌浆质量好坏的关键；目前，工程上对灌浆效果评价的方法主要分为5大类：检查孔法、分析法、开挖取样法、变位推测法和物探法[15]。

根据试验区实际的工程地质条件和试验点的周边环境，现场灌浆采用分析法、检查孔法和开挖取样法相结合对28d后的灌浆效果进行评价分析。对远离文物本体的A试验区和C试验区采用开挖取样观察的方式揭露灌浆面；对于位于石窟顶部的B试验区，则采用长期观察法和灌浆量分布特征法进行效果检验。

4.2.2效果检验

4.2.2.1A试验区

(1)A-1试验点。通过对层面裂隙开挖，发现裂隙大部分被灌浆料所填充，灌浆料呈灰黄或土黄色，且已基本固化，固化后的材料呈薄层脆性材料；裂隙面的灌浆料呈块状或片状；灌浆料在裂隙中以挤压充填为主，密实度较好，平均厚度为2.5mm，最大厚度可达到3.5mm；灌浆料随裂隙面呈起伏状，与岩石黏结程度较好。试验点A-1层面裂隙内70%～80%区域被灌浆料填充(绿色覆盖区)，其他部分未见灌浆料的区域，可能是在剖开过程中黏结在顶部裂隙面上或未填充。总体来看，BT配方在水灰比0.7～1.0，灌浆压力0.2MPa时，灌浆效果很好，其灌浆半径为0.5～0.9m(图11(a))。

(2)A-2试验点。该试验点的裂隙灌浆料呈土黄或黄褐色，材料固化，固化后的材料呈薄层块状或片状；灌浆料以挤压填充式为主，密实度较好，平均厚度为1.5mm，最大厚度可达到2.5mm；灌浆料与裂隙面黏结较好，基本上没有收缩缝；此处裂隙张开度变化较大，变化范围为0.5～1.5mm，在隙宽<0.5mm处，裂隙内部仅局部呈条带状填充，在裂隙开口0.5～2.5mm之间的裂隙面，灌浆料以面状填充为主。试验点底面有60%区域被灌浆料填充，开挖区域的填充率>90%。由此可知，MK01配方在水灰比为0.7～1.0，灌浆压力为0.3MPa时，灌浆效果很好，灌浆半径达0.5～1.35m(图11(b))。

(3)A-3试验点。裂隙内的灌浆料呈土黄或黄褐色，材料已经固化，固化后的材料呈薄层脆性块状或片状，在局部裂隙较破碎处灌浆料厚度很大，其密实度较好，平均厚度达2mm，最大厚度可达到2～3cm；灌浆料与岩石裂隙面黏结程度较好；因裂隙张开度变化较大，在裂隙面<0.5mm处，裂隙基本无填充，张开度在0.5～3.5mm之间的裂隙，灌浆料以面状填充为主。该试验点底面上有80%～90%区域被灌浆料填充。可见，MK01配方在水灰比为0.5～0.7，灌浆压力为0.3MPa时，灌浆效果很好，灌浆半径达0.5～1.5m(图11(c))。

(4)A-4试验点。该处裂隙内部的灌浆料呈乳白色或黄白色，材料的固化程度较低，只有MK01和BT材料的50%；其平均厚度为1.5mm，与岩石裂隙面黏结程度一般。灌浆时使用推荐的最优水灰比0.48，虽然灌浆压力依次变为0.1～0.4MPa，但灌浆量很小，试验点底部裂隙面只有10%～20%区域被灌浆料填充，灌浆半径为5～10cm。可知，NHL配方在水灰比为0.48，灌浆压力为0.1～0.4MPa时，可灌性较差(图11(d))。

(5)A-5试验点。根据试验点的开挖钻芯，可以看出裂隙内的灌浆料固结程度较差，只有MK01和BT材料的60%；灌浆料为灰色、灰白色，密实度较差，平均厚度在0.5～1.5mm之间；与裂隙面的黏结强度相比来说也较小。试验点底部裂隙面上有70%～80%区域被灌浆料填充；灌浆半径为25～30cm。可知，该处NHL配方材料的水灰比为0.68，灌浆压力依次为0.1，0.2，0.3，0.4MPa时，可灌性较好(图11(e))。

图11　A区各试验点的灌浆效果Fig.11　Grouting effect at each test point in test area A

4.2.2.2B试验区

B试验区为石质文物本体，采用长期观察法可以发现，未进行灌浆加固前，石窟的侧壁上有明显的渗水挂流痕迹；在进行灌浆加固后，虽经历了雨水天气，但石窟内部较为干燥，无明显的渗水现象。由此可以看出，试验区的灌浆效果较好(图12)。

图12　B试验区灌浆效果Fig.12　Grouting effect in test area B

4.2.2.3C试验区

C-5试验点。通过直接开挖灌浆裂隙，发现裂隙内部的灌浆料主要呈乳白色，灌浆材料尚未固化，呈乳胶状；灌浆料的平均厚度为1.0mm，与岩石裂隙面黏结程度一般，且灌浆料与裂隙面之间存在一定的收缩缝。因裂隙张开度较小，灌浆时，建议采用的水灰比为1.0。

由各试验点的现场灌浆结果可知，MK01配方材料28d后固化程度表现为：MK01≈BT>NHL；密实度则为：MK01>BT>NHL；在裂隙中的充填程度为MK01≈BT>NHL；且MK01配方材料的黏结强度也较高，水灰比可调控性较大，可见MK01配方材料的现场应用性较强。

5结论

通过各材料配方特性的对比分析及现场灌浆的检验，可以得出如下结论：

(1) 在室内试验中，天然水硬性石灰(NHL)、膨润土(BT)及偏高岭土(MK01)3组配方，就龙门石窟防渗灌浆材料的主控指标抗渗性及含盐量而言，较适合于现场灌浆。

(2) 现场灌浆压力的合理范围值为0.1～0.4MPa。

(3) 对于不同的裂隙，裂隙张开度为0.5mm是一个可灌性分界点，当张开度>0.5mm，其可灌性较好，反之则较差。

(4) 现场灌浆发现灌浆量的大小与张开度呈正比，而裂隙张开度与灌浆材料的水灰比大致呈反比。

(5) 根据材料的固化程度、密实度、黏结程度、充填程度等指标对灌浆效果进行综合评价，发现偏高岭土配方(MK01)更适合于龙门石窟裂隙防渗灌浆。

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(编辑：黄玲)

Experimental Study on Novel Grouting Materials forFracture Seepage of the Longmen Grottoes

ZHAOMang1,YANShao-jun1,HEKai1,DOUYan1,FANGYun1,ZHAIGuo-lin2

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；2.GuangzhouMetroCorporation，Guangzhou510000，China)

Abstract:Water-seepage is one of the most serious diseases endangering Longmen Grottoes, impervious grouting is a fundamental way to control seepage. As the early use of superfine cement and epoxy resin materials have poor durability, severe salinity problem, more effective seepage materials are demanded urgently. In this paper the liquidity, shrinkage rate, compressive and flexural strength and other characteristics of five new material formulations which include metakaolin, natural hydraulic lime, sulphoaluminate cement and so on obtained from indoor test are

analyzed.Resultsrevealthatthematerialformulationsofmetakaolin,naturalhydrauliclime,andbentonitearesuitableforfieldgrouting.Inthefieldgroutingtest,thegroutingpressureisdetermined0.1-0.4MPa,andthegroutabilityandgroutingparametersarediscussedandanalyzed.Moreover,fortheevaluationofthegroutingeffect,thecuringdegree,density,fillingdegree,bondingdegreeandotheraspectsofthegroutingmaterialsareexaminedandanalyzedafter28days.Resultsshowthatthegroutingeffectofthemetakaolinisthebest.

Key words:Longmen grottoes; seepage grouting; compressive and flexural strength; grouting pressure; groutability

收稿日期：2015-03-16；修回日期：2015-04-06

基金项目：国家自然科学基金项目(40972183)

作者简介：赵莽(1988-)，男，安徽淮南人，硕士研究生，主要从事岩土文物保护和地质工程等方面的研究，(电话)13006138863(电子信箱)841787752@qq.com。 通讯作者：严绍军(1973-)，男，四川绵竹人，副教授，博士，主要从事岩土文物保护和地质工程等方面的研究，(电话)18971675062(电子信箱)shaojuncug@qq.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150188

中图分类号：TU746.3

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0115-09

2016,33(06):115-123，128