凝结水对碳酸盐岩石窟表面劣化作用试验研究

凝结水在石窟内部的岩体表面构成了气相－液相－固相体系的关键的中间环节。由于环境变化及旅游开发的影响，以凝结水为中介，加速了石质文物表面的风化，而这一过程的机理研究目前在国内外属于空白。通过石窟表面温度场分布及其与凝结水形成的动态关系研究、石窟岩体表面性质不同导致凝结水的初期异相成核及后期凝结水的增长差异性比较研究，结合实验室与现场条件下，利用凝结水的数量及溶解物质动态过程监测结果及劣化作用后样品测试成果，对凝结水导致岩石矿物成分、微观结构及宏观物理力学性质的演化进行分析。揭示凝结水作用下，碳酸盐岩的溶蚀与堆积、次生矿物的溶解与结晶作用对石窟岩体表面破坏机理，并对石窟岩体表面劣化损伤过程进行预测。

凝结水在石窟内部的岩体表面构成了气相－液相－固相体系的关键中间环节。本项目以龙门石窟由为研究对象，开展凝结水对龙门石窟碳酸盐岩表面劣化机理的研究，是应对全球气候变化及旅游开发所带来冲击，寻求与石窟保护相“兼容”的小环境及治理措施所必需的基础性研究。龙门石窟赋存的山体岩石为寒武纪的白云岩与灰岩,该类岩石对酸的侵蚀非常敏感。凝结水构成了CO2、SO2及NOx等与碳酸盐岩相互作用的重要中介。受环境变化及旅游开发的影响，石窟内空气中CO2及湿度剧增，加速了石质文物表面的风化。. 根据野外调查，凝结水对碳酸盐岩石窟的破坏主要表现为碳酸盐的溶蚀和堆积，次生矿物的溶解和结晶。碳酸盐堆积会造成对石窟雕刻品的污染。凝结水富集的部位往往易于滋生苔藓等微生物病害。水分在窟壁的反复凝聚和蒸发，造成洞窟岩体表面的干湿变化，降低了洞窟岩体表层的强度，加剧了岩体风化。.采用自行研制的凝结水监测仪和改装的凝结水定量采集实验装置，进行了现场试验。由试验和监测结果可知，2010年龙门石窟潜溪寺凝结水的发生频率达83.33%，高于以往年份。单位面积平均凝结水量为229.601g/m2，2010年潜溪寺的凝结水生成总量为200.678kg，其量相当可观。从总的趋势来看，龙门石窟的凝结水病害有加重趋势。. 采用自行研制的室内模拟试验装置，进行凝结水对碳酸盐岩洞窟表面劣化的模拟试验和溶蚀机理试验，模拟龙门石窟凝结水病害的劣化反应过程。试验结果表明，在一定浓度的CO2下，凝结水对碳酸盐岩有较强的溶解，凝结水的持续作用时间是造成文物劣化破坏的重要因素。劣化试验后收集的劣化水呈酸性，表明CO2溶解于凝结水中形成碳酸，分别造成灰岩中方解石和白云岩中白云石的溶解。灰岩质量损失和孔隙率变化是白云岩的数倍，表明方解石溶解更为强烈。质量损失浸泡试验的结果表明，凝结水长期赋存于岩石表面，会对文物表面持续劣化。从电镜扫描微观结构看，在凝结水作用下，溶蚀沿灰岩解理发育，形成极为破碎的棱片状方解石残留物。白云岩主要沿分散孤立的晶间空隙溶蚀，溶蚀后造成岩石表面呈骨架形态。根据质量损失进行溶蚀深度计算，龙门石窟经过100年后，灰岩的溶蚀深度为2.3114mm，白云岩的溶蚀深度为1.1625mm。1年灰岩的溶蚀深度为0.017~0.156mm。这与溶蚀机理试验中采用phreece软件进行溶蚀深度的预测结果相吻合。