冻融环境下红砂岩文物的形态损伤与强度劣化研究

【作者】 汪锦程； 崔德山； 李显方；

【机构】 中南大学； 中国地质大学(武汉)；

【摘要】 冻融循环作用下含水红砂岩微结构演化规律及其表面劣化机制,是评估寒冷地区石质文物耐久性的关键科学问题。本研究依托于宁夏须弥山石窟5号窟的文物勘探保护项目,以经历0-100次冻融循环的新鲜/风化含水红砂岩为对象,综合运用三维激光扫描、扫描电镜(SEM)、计算机断层扫描(CT)、热物性测试、巴西劈裂试验及多场耦合数值模拟等方法,通过多尺度表征技术揭示了冻融损伤的时空演化特征:实验结果表明,随冻融次数增加,砂岩表面分形维数与比表面积显著提升,内部孔隙分布呈现纳米级孔隙(10-100nm)向微米级(0.1-100μm)及超微孔隙(>100μm)转化的趋势。CT扫描数据证实,新生孔隙在近表面区域呈现聚集特征,数值模拟揭示这种非均匀孔隙分布是诱发表面剥蚀的重要诱因。经历100次冻融后,岩石颗粒间胶结物发生开裂,裂隙宽度扩展至初始状态的2.3倍,导致抗拉强度衰减超50%。基于微观孔隙的断裂力学的分析进一步阐明了孔隙水反复冻融造成的微观累计损伤,最终会加剧砂岩强度降低。值得注意的是,冻融过程对含水砂岩热物性参数存在优化效应,表面分形维数与抗拉强度间呈现确定系数达0.98的显著相关性。这为建立基于表面形貌的非接触式强度预测模型提供了理论依据。研究建议,在无法原位取样的保护工程中,应优先通过表面形态分析评估红砂岩力学性能演变。更多还原