莫高窟的固沙——莫高窟崖顶的化学固沙实验

　　自建立尼纶网防沙栅栏后，有效地防止了鸣沙山的沙物质进入窟区，使风沙流所携带的沙物质沉积在防沙网前后，或导向窟区外，结果使窟区的积沙减少约60%。但是防沙障阻止了鸣沙山的沙流后，使进入窟区的气流从建立沙障前的挟沙饱和气流变为不挟沙或挟沙不饱和气流，进而导致产生新的问题，即不挟沙或挟沙不饱和气流又开始搬运洞窟崖顶斜坡上的积沙，结果加剧了崖体的风蚀作用。从布局在崖体栈道上的积沙盒观测表明，建立防沙障之前，积沙盒中收集的积沙为细粒级沙，建立防沙障之后，积沙盒中所收集的沙粒度逐渐变粗，现在出现粗沙粒，甚至碎石。这是由于不挟沙气流或挟沙不饱和气流逐渐搬运走崖顶斜坡上原来的积沙，进一步使崖面风蚀、剥落的结果(图9-15)。加之莫高窟岩体属第四纪砂泥质半胶结的砾岩，上部胶结松散，易于风蚀，使砾石经常从岩体上掉落，这不仅造成窟前行人不安全，年深日久后，渐渐使窟顶变薄，造成对洞窟及壁画的危害。因此，只有对防沙障之前的积沙，洞窟崖顶斜坡上的覆沙以及风蚀严重的崖体进行化学加固，才能有效地防止大量流沙进入窟区和崖面风蚀，从而使化学固沙和防沙障成为互相补充的综合性防沙体系，在防沙障建立之后，进行化学固沙是当务之急。
　　(一)实验
　　1.沙样分析
　　(1)沙样颗粒粒度分析
　　所分析的沙样取自三个位置，一个取自防沙障东侧化学固沙现场，是含粗沙粒、碎石和黏土的混合沙。另一个是取自九层楼北侧斜坡上的沉积沙，是较均匀的细粒级沙。第三个沙样取自九层楼北侧窟沿的沉积沙，也是较均匀的细粒级沙，分析结果见表9-6。
　　(2)沙样岩矿分析
　　岩矿分析沙样取自防沙障东侧化学固沙现场，分析结果见表9-7。
　　2.固沙胶结剂选择
　　莫高窟崖顶的化学固沙剂选用两种类型的胶结材料。一类是无机胶结材料，另一类是有机胶结材料。无机胶结材料为高模数的硅酸钾(即PS)。有机胶结材料选用三种，一种是40%甲基丙烯酸酯(Methacrylates)和60%的丙烯酸酯(Acrylates)共聚乳液，其代号为AC；另一种是聚酯树脂乳液(Polymer resin Dispersed in Water)或聚醋酸乙烯乳液(Polyvinyl acetate emulsion)，总称之Aerospray 70 Binder，其代号为AS；第三种有机胶结材料为甲基丙烯酸酯(Polymer of Methacrylates)和42%的丙烯酸酯(Acrylates)以及1%的有机硅(Silicate)共聚乳液，再掺加0.2%的聚乙氧基醇(Poly Ethoxylated Ethanol)，称之为Soil Seal，其代号为SS。
　　3.胶结剂渗透性能测试
　　对两种沙样做胶结剂渗透性能测试，一种是取自防沙障东侧化学固沙现场，编号为A组；另一种沙样取于九层楼北侧均匀细粒积沙，编号为B组。将沙样分别填在透明聚乙烯薄膜做的直径为45mm、高为300mm的圆柱筒中。注意向各个聚乙烯薄膜圆筒中以相同的方法填入沙样，以求各圆筒中沙样密实度大致相同。将各胶结剂稀释为适当的浓度，以相同的速度向沙柱上部滴渗，记录渗透速度(图9-16、图9-17，表9-8)。
　　4.沙样胶结体的吸水性能
　　按照岩石物理力学性能的测定规范，岩石的吸水率的规范测定方法是，将恒重的岩样(直径50mm，高100mm)在水中浸泡48h后测其吸水量。但莫高窟崖顶及斜坡的覆沙经胶结剂渗透加固后，是否对雨水有较快的渗透速度是十分重要的。覆沙经化学固定后，如果沙胶结体渗水速度很小，使雨水不易渗透而汇集顺着斜坡下流，这样就有可能流入洞窟而损坏洞窟中的壁画，严重时造成洞窟坍塌。因此，不但按规范方法测定沙胶结体的吸水率，更重要的应测定沙胶结体的渗水速度。因为渗水速度对莫高窟的化学固沙有实际意义。
　　做一模具，分别将上述的A组沙样和B组沙样做成直径50mm、高100mm的圆柱型沙样。每组三块试样，用浓度1：10(水)AC、AS、SS和10%的PS分别将每组沙柱试样做渗透加固，以这种试样做吸水率测试(结果见表9-9，图9-18、图9-19、图9-20)。
　　5.风化岩样经加固后的抗压强度
　　从莫高窟北区岩体风化严重的部位取岩样，人工做成约50mm×50mm×50mm的试块(图9-21)，将试块用浓度为1：10(水)的AC、AS、SS和10%的PS进行渗透加固。由于莫高窟岩体属砂泥质半胶结的砾岩，强度极低，因此做试块渗透加固时分多次进行。第一次先渗入小量加固剂，待加固剂完全凝固试样干后再做第二、第三次等，直到完全将试块加固。如果一次性进行加固，试块就会崩散。抗压强度以WE-10A、1004N液压式万能试验机所做，试验结果见表9-10。
　　另外，为了估计固沙后沙胶结体强度，分别将上述的A组沙样和B组沙样做成50mm×50mm×50mm的试块，再将试块分别用浓度1：10(水)的AC、AS、SS和10%的PS分别进行渗透加固(同抗压试块的加固方法)，待试块完全自然干燥后做抗压强度测试，测试结果见表9-11。
　　6.风化岩样经加固后风蚀的风洞模拟实验
　　以莫高窟北区风化严重的岩样，人工做成约50mm×50m×50mm的试块(同抗压试块)，将试块用浓度1：10(水)的AC、AS、SS和10%的PS分别进行渗透加固(同抗压试块的加固方法)，待试块干后和原始试块同时做风蚀的风洞模拟实验(图9-22)。
　　风蚀的风洞模拟实验在中国科学院兰州沙漠研究所风洞中进行。沙风洞是一直流闭口吹气式低速风洞，风洞全长38.78m，其中实验段长16.23m，截面积1m×0.6m，风速从2～35m/s连续可调，紊流强度在0.4%以下。实验中将试样水平置于可任意升降的样品槽中，样品槽位于实验段入口下风向12m处，这样便可以起风做试样风蚀的风洞模拟实验。实验结果见表9-12、图9-23、图9-24。
　　7.加固后的风化岩样冻融试验
　　冻融试验采用和上述抗压强度及风蚀模拟试验相同的岩样进行。由于莫高窟的砂砾岩孔隙率大，岩样吸水率高，容易被冻融崩解。因此该冻融试验不做冻融损失率，只做每个冻融循环周期中，试样被冻融破坏状况的记录，一直到试样被冻融完全破坏为止，记录冻融循环的周期次数，从而粗略评价风化岩样或沙样被加固后的抗冻融性能。
　　以浓度为1：10(水)的AC、AS、SS和10%的PS分别渗透加固后的四组岩样(每组三块)做冻融试验。先将岩样在105～110C温度下烘至恒重，然后在20℃的水中浸泡4h，再放在-30℃的冰箱中冻4h，以相同的方法再融4h(放在20℃水中)、冻4h(-30℃)。这样冻融交替，反复循环进行，每8h为一个循环周期。
　　以浓度为10%的PS所渗透加固的岩样，在第3个冻融周期时，其中有1块试样出现微小的裂隙，其他两块完好。在5个冻融周期时，另外2块岩样也出现微小的裂隙。在第11个冻融周期时3块岩样的裂隙有所增大。在第17个冻融周期时，其中2块岩样出现掉棱角现象。在第28个冻融周期时，已掉棱角的两块岩样裂成2～3块。当进行到第45个冻融周期时，3块岩样基本崩散。
　　以1：10(水)SS渗透加固的岩样，在第3个冻融周期时，其中1块岩样出现明显的裂隙，其他2块基本完好。在第11个冻融周期时，1块岩样从中间断裂为两半，其他2块无大的变化。在第12个冻融周期时，3块岩样都出现轻微的崩解现象，在第14个冻融周期时，1块岩样完全崩散，另外2块岩样裂隙明显增大。在第22个冻融周期时，这2块岩样也出现大面积崩解。在第28个冻融周期时，这2块岩样也完全崩散。
　　以1：10(水)AS渗透加固的风化岩样，在第8个冻融周期时，其中1块岩样出现裂隙，其他2块基本完好，在第12个冻融周期时，已出现裂隙岩样的裂隙明显增大，另1块岩样下部出现掉小块现象，其余1块岩样也出现微小裂隙。当进行到第45个冻融周期时，3块岩样的裂隙都明显增大，但未出现明显的崩解现象。
　　1：10(水)AC渗透加固的岩样，在第20个冻融周期时，其中1块岩样出现掉棱角现象，其余2块基本完好。在第26个冻融周期时，上述掉棱角的岩样下部出现明显的崩解，其他2块无大的变化。在第33个冻融周期时，已开始崩解的岩样同时出现明显的裂隙，其余2块也出现轻微的掉棱角崩解。当进行到第43个冻融周期时，3块岩样基本崩解。
　　8.沙样胶结体的耐水性
　　将莫高窟顶化学固沙试验现场的以1：10(水)的AC、AS、SS和5%的PS分别渗透加固过的沙胶结块完全浸泡在水中，做耐水性试验。以5%PS渗透加固的沙胶结块，至今已在水中浸泡16个月之久，基本未出现崩解现象。以1：10(水)的AC、AS和SS分别渗透加固的沙胶结块在水中浸泡两周后出现明显的掉沙崩解现象，继续浸泡2～3个月之后，胶结块出现溶胀软化现象。
　　(二)化学固沙现场试验
　　根据莫高窟顶化学固沙现场的自然条件，选择在防沙障东侧、离崖面约150m处覆沙平滩上做现场化学固沙试验。此处的覆沙为混合沙，以细沙为主，混有少量碎石和黏土，即同于上述做胶结剂渗透试验的A组沙样。
　　将试验现场划分为2m×2m的方块，然后把配制好的AC、AS、SS和PS进行喷洒。喷洒现场有两种状况，一种是直接向干沙层喷洒稀释后的胶结剂，另一种是在干沙层上先喷洒水，使表层的沙湿透约1～2cm，紧接着再喷洒稀释后的胶结剂。这样做的目的是为了观测在不同条件下，胶结剂的渗透性能以及固沙效果。
　　高模数的PS胶结剂过去已多次进行过风化砂砾岩及风化土建筑遗址的加固，取得明显的保护效果。一般的加固方法是，先用低浓度的PS直接喷洒渗透，待喷洒的PS完全凝固且试样干后再做第二次喷洒。以相同的方法加固三次、四次或多次，这主要视加固对象的孔隙大小和加固强度要求而定。同时在加固过程中逐渐提高PS的浓度，一般最后一次的喷洒浓度不超过5%，这样做是为了提高PS的渗透深度。如果所加固的砂砾岩及土质文物特别松散，孔隙率也很大，最后一次PS的喷洒浓度可提高到10%。本固沙试验中，PS的浓度为5%，喷洒量控制在2，4，6L/㎡。
　　另外，考虑到固沙所需胶结材料量特别大，为了降低成本，我们也做了硅酸钾和硅酸钠混合(K：Na=3：1)胶结剂的现场固沙试验，以观察固沙效果，见表9-13。
　　AC采用三种浓度做现场喷洒渗透固沙试验，即AC：水为1：10，1：20，1：30。喷洒量控制在1.15，2.30，3.45，4.60，5.75L/㎡不等，见表9-14。
　　AS和SS的浓度同于AC的浓度，即1：10，1：20，1：30。AS的喷洒量控制在4.60，6.75L/㎡，SS的喷洒量控制在2.30，3.45，4.60，5.75L/㎡不等，见表9-15、表9-16。
　　1.沙胶结体硬度测试
　　化学固沙6个月后做胶结体表面硬度测试。
　　目前，对化学固沙后胶结体表面硬度的测定尚无规范可执行，我们采用简易穿刺和砂浆回弹仪回弹两种方法做比较测试。
　　所谓简易穿刺法是用一根长111cm，直径2cm的钢管，一端安装一个尖形钢头，整个安装尖头之后的钢管重612.50g。人手举钢管，手臂平行于地面，且使钢管垂直于地面，这样钢管的尖头离地面约60cm。让钢管由自下落，测量每次钢管尖头穿刺沙胶结体的深度，每个试验方块上选三个点做穿刺深度测试。另外须注意，为了尽量减小测试操作所造成的误差，本测试工作应由一人完成，测试结果见表9-13～表9-16，图9-25。
　　另一种对固沙胶结体表面硬度测定用HT：225型回弹仪，这是目前应用最广泛的一种回弹仪，其冲击动能为0.225kg·m，常用来测定100号到700号的混凝土构筑物。上面已经讲过，对沙胶结体的表面硬度无规范的测定方法，砂浆回弹仪测定仅做参考。因此，在试验方块上测定时，除去最大和最小回弹值，只取出现率最多的六个回弹值。同时也不做硬度值计算，仅以回弹值比较以上四种胶结材料固沙后，其胶结体表面的硬度。
　　2.胶结剂渗透深度测试
　　现场化学固沙胶结剂的渗透深度是待胶结体完全干透后，揭取沙胶结块测量其厚度的方法做粗略估计。由于采用普通的洒水壶人工喷洒渗透，因此渗透深度很不均匀。在每个试验方块上合适的位置选三个点，揭取沙胶结块测量其厚度，粗略地对比分析其各个胶结剂的渗透深度，见表9-13～表9-16，图9-26。
　　(三)实验结果讨论
　　在实验室内我们进行了浓度为1：10(水)的AC、AS、SS和10%的PS四种胶结剂对莫高窟崖顶覆沙的渗透性，沙样胶结体的吸水性及耐水性测试，同时也对以上四种胶结剂加固后的莫高窟地区风化砂砾岩样的抗压强度，耐风蚀性及冻融性做测试，特别又做了大面积的现场化学固沙试验。
　　实验结果表明，1：10的AC、AS、SS和5%～10%的PS对莫高窟崖顶均匀的细沙和含有碎石及黏土的混合沙都有较好的渗透性。相比之下，以上四种胶结剂对均匀细沙的渗透性大于混合沙的渗透性，在莫高窟区需要进行化学固沙的主要是风沙流沉积起来细粒覆沙，这种沙源来自山崖西部约800m处的鸣沙山，起风时这种沙容易流向窟区。而洞窟崖顶平滩上的混合沙经过多次风沙流后，其表面的细粒沙已基本迁移走，现在暴露在地表面的大部分是粗砂粒及碎石，一般风不大时，这种地表不易起沙，另外需要进行化学加固的是风蚀严重的崖面及窟顶斜坡上的覆沙。从这些加固的对象来看，以上四种胶结剂均有较理想的渗透性。
　　对以上四种胶结剂渗透胶结的沙胶结体的渗水速度和吸水率测试表明，以10%高模数PS渗透加固的沙胶结体吸水速度最快，5min内，A组沙样吸水率16.38%，B组沙样13.06%，10min内吸水基本饱和。沙样经1：10(水)的AC、AS、SS分别渗透加固后，开始5min内其胶结体的吸水速度较小，特别是A组混合沙样。B组沙样吸水速度稍大，以AS加固的沙胶结体，其吸水率达5.86%。B组沙样经AS和SS分别渗透加固后的沙胶结体在30min内吸水速度较快，分别为10.26%和9.64%。经过48h浸水后，以AS和SS渗透加固的沙胶结体吸水率高，B组的吸水率更高，其吸水率A组沙样的分别为14.34%和9.86%，B组沙样的分别为22.09%和22.43%。原因可能是胶结沙样长时间在水中浸泡后，AS和SS所形成的膜溶胀而被破坏，水大量渗入沙胶结体所致。
　　由于PS属分子较小的无机胶结材料，采用它进行固沙，这不仅是它有好的渗透性，更重要的是它在胶结过程中，与沙中的沙、土粒及岩石碎屑物表面进行一定的化学作用形成网状交联。这样既不在胶结体表面成膜，也不会将胶结体的孔隙填充密实，因此有比较快的渗水速度和较大的吸水率。AC、AS和SS属于有机高分子胶结剂，以它固沙后，在沙胶结体表面容易成膜，特别是浓度大时，结果将沙胶结体表面的大部分孔隙填充密实，从而使胶结体的渗水速度大大降低。前面已经提到，化学固沙后，沙胶结体是否具有较好的渗水性对莫高窟的壁画保护十分重要。在过去，莫高窟部分洞窟的壁画毁于上层薄顶洞窟窟顶的渗水以及暴雨时崖面的流水，如果将窟顶之上的斜坡覆沙化学固定后，沙胶结体的渗水速度若降低较大，大雨时，崖面上的大量的流水将会对洞窟及壁画造成破坏。因此，在化学固沙后，即使沙胶结体有良好的渗水性，也应在洞窟顶崖面的适当部位附设一定的排水设施。
　　以上四种胶结剂胶结的沙胶结体耐水性试验表明，以高模数5%PS胶结的沙胶结体不但有良好的渗水性，而且也有很强的耐水性。以AC、AS和SS胶结的沙胶结体的耐水性低于PS胶结的沙胶结体的耐水性。
　　抗压强度试验表明，以10%的PS渗透加固的莫高窟北区风化砂砾岩和沙样固结体具有较高的抗压强度，其抗压强度分别为12.37和8.70MPa。其次抗压强度较大的是以1：10(水)的AC和AS加固的试块，其抗压强度分别为4.47、1.65MPa和1.20、5.40MPa。抗压强度较低的是以1：10(水)的SS加固的试块，其抗压强度分别为0.17和0.60MPa，略大于未加固试块的抗压强度0.11MPa，这样基本起不到加固作用。同时以SS加固的岩样表面出现一些蓝绿色的斑痕，看来SS不易做固沙和风蚀岩面的加固。
　　加固岩样风蚀的风洞模拟试验表明，莫高窟崖体泥质半胶结状的砂砾岩是非常松散的，十分容易被风蚀。即使不挟沙的净风，当风速达10m/s时，就可以引起岩体的吹蚀。当净风速在15m/s以上时，吹蚀作用十分明显，其吹蚀模数为0.21kg/(㎡·h)，挟沙风的风蚀作用就更大，当挟沙风的风速在7m/s时，对岩体的吹蚀相当明显。当挟风风速达10m/s时，吹蚀速度惊人，吹蚀模数高达123.80kg/(㎡·h)。当挟沙风速为20m/s时，一块50mm×50mm×50mm的原始岩样，在3min之内就会被吹蚀掉四分之三。由此可见，莫高窟的崖体是很容易被风蚀。当崖体被1：10(水)的AC、AS、SS和10%PS分别加固后都有较理想的耐风蚀性。相比较，经1：10(水)的SS和10%PS加固后的岩样耐风蚀性最好，即使挟沙风，当风速达20m/s时，这两种岩样的吹蚀模数几乎等于零，10%PS加固岩样的抗压强度高和它的耐风蚀强度大是一致的。以1：10(水)SS加固的岩样的抗压强度极低，但其耐风蚀强度却很高。这是因为SS凝固后具有很强的柔韧性，使加固后的岩面具有一定的弹性，是它耐风蚀强度高的原因。
　　冻融试验表明，以1：10(水)AC、AS、SS和10%PS加固的莫高窟岩样都有较好的耐冻融性。相比较，以1：10(水)AS渗透加固岩样有特别好的抗冻融性。虽然以1：10(水)AC、AS和SS渗透加固的岩样的抗压强度都比较低，但耐冻融却比较强，其原因是这三种有机胶结剂容易在岩面成膜，使岩样的吸水速度大为降低，短时间内渗入岩体内的水大大减少，因此有较好的耐冻融性。以10%PS加固岩样的吸水速度快，是降低其抗冻性能的原因。
　　莫高窟地区属十分干旱的沙漠气候，年降水量只有几十毫米，岩体的含水量极低，因此岩体加固后的抗冻融指标只不过是评价岩体抗风化强度的较次要的指标。
　　莫高窟崖顶，防沙障东侧的现场化学固沙试验表明，1：10(水)的AC、AS、SS和10%PS都有大致相同的渗透性能。沙胶结体表面的硬度测试表明，以5%PS和1：10(水)AS加固的为最好，喷洒量以5～6L/㎡为最佳，当PS的喷洒量低于4L/㎡时，沙胶结体表面硬度明显降低，AS的喷洒量低于4.60L/㎡时，沙胶结体表面的硬度也明显降低。当PS的浓度低于5%，AS的浓度低于1：20(水)时，(约等于5%)加固强度明显降低。PS中混有硅酸钠时，半年之内其强度无明显变化，时间再长，特别经历几次雨雪之后，沙胶结体表面盐化，并逐渐酥松。因此PS固沙时，不宜掺合硅酸钠，以1：10(水)AC和SS分别加固的沙胶结体的表面硬度比较低，浓度低于1：20(水)以下时，加固强度更低。
　　在喷洒胶结剂之前，先将干沙层用水喷湿1～2cm，紧接着喷洒胶结剂，这样做的结果表明，对PS和AS都有提高胶结强度的作用，但不十分明显。
　　另外，从现场固沙胶结体表面硬度的简易穿刺和砂浆回弹仪测定结果看，以1：10(水)AS和5%PS渗透加固的沙胶结体表面有较高的硬度。
　　(四)结论
　　通过对AC、AS、SS和PS四种胶结剂的固沙试验和现场试验表明，PS、AS和AC都是较理想的固沙胶结剂，但是在莫高窟特殊干燥的气候条件下，容易引起有机胶结剂较快的老化，而PS材料有较强的耐候性和很好的耐紫外线辐射性，固沙后的沙胶结体渗水速度快。同时莫高窟顶覆沙和严重风蚀崖面需进行化学加固的面积又特别大，初步估计约7万㎡，约需300t胶结剂。鉴于PS材料成本低廉，操作工艺简便，且对环境无污染，对人体建康无危害，因此适合于对莫高窟崖顶的覆沙和风蚀严重的崖面进行化学加固。
　　另外，应改进化学加固工艺，崖顶斜坡的加固应做适当的锚固处理，以避免大块的胶结体下滑。