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不同环境下的文物岩石力学性能评价及劣化机理思考

日期:2024年01月30日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:41
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202401242121481515 论文字数:42533 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文根据文献调查法对我国主要分布的文物岩石类型以及所处地区进行总结,并结合试验实际情况,选择板岩、大理岩、花岗岩、灰岩和砂岩五种文物岩石作为研究对象,分别对五种岩石的矿物组成以及微观结构、表面力学性能和物理性能进行测试,并在实验室模拟劣化环境,对劣化后岩石的各性能进行测试,并对劣化机理进行研究。

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

在中华民族上下五千年的璀璨历史中,我们的祖先用他们勤劳的双手和聪明才智为后人创造并且留下了很多宝贵的财富。这些财富中,文物占了很大的比例,文物承载了民族精神和国家文明,具有不可再生的特点[1]。而在众多的文物中,岩石类的文物又占了相当大的一部分。岩石具有耐性好、美观、易于加工以及良好的物理和力学性能等特点,因此自古以来就被广泛的用于建筑行业,是一种很好的建筑材料。被人们所熟知的岩石类文物有很多,比如位于四川的乐山大佛,北京的故宫、长城、天坛等,山西的云冈石窟,重庆的大足石刻。这些岩石类文物不仅仅具有很高的美学价值,还能够反映一个时代的审美取向,这些岩石类的文物也是历史的见证者,对于研究历史也具有非常重要的价值。

然而,这些历史的见证者在经历历史变迁的同时还遭受了风雨的洗刷、有害气体和微生物侵蚀以及人为破坏等不同程度的威胁,导致文物岩石逐渐失去本来的样貌,而随着时间的流逝,这些威胁会越来越大,最终导致文物岩石变得面目全非而失去价值。如果我们对这种现象不予以重视不采取任何的方法和手段加以干预的话,那么这些我们祖国光辉历史的见证者可能会随着时间的流逝而逐渐消失,这不管是对文物岩石还是民族历史来说都是一笔巨大的损失。所以为了不让这样令人痛心的事情发生,那么对于这些文物岩石的保护就是非常有必要的,然而令人欣慰的是不光现在的我们,其实在很早以前国家就已经意识到了对文物保护的重要性并且在1982年还颁布了《中华人民共和国文物保护法》来加强对文物的保护,并让文物保护从此有法可依。

1.2文物岩石劣化类型

文物岩石在大气环境下存在了千百年,经受着各方面的侵蚀,包括生物、物理和化学侵蚀,使得文物岩石发生不同程度的破坏,这个破坏过程就是岩石的劣化,也称为病害[2]。由于受到的侵蚀影响因素不同,岩石的劣化也存在很多种类型。关于文物岩石劣化类型的研究,早在20世纪80年代初,意大利的Normal委员会就颁布了《石材的可视性病害:术语》这一标准,在该标准中,将文物岩石的病害分为25个类型,并为每种类型的病害做了解释和相应的图片示例[3],但该方法存在的问题是病害类型存在较多混淆,分类并不完全清楚。20世纪90年代,Fitzner等提出文物岩石病害分类方法,将病害分为三级,每个级别下又有不同的独立类别[4]。国际理事会石质学术委员会(ICOMOS-ISCS)于2001年编制了《石质劣化现象图示术语表》[5],将文物岩石的劣化类型分为四个级别,第一级主要包括力学损伤;第二级包括孔蚀、侵蚀、物理损伤、微观岩溶和穿孔现象等;拱起、差别侵蚀、挫伤和空隙等属于三、四级别,三级包括划伤、冲击损伤等,四级还包括磨损、表面化、切断等。随后在已有研究基础上,中国西安文物保护修复中心根据已有研究成果继续研究并总结出WW/T 0002-2007《石质文物病害分类与图示》[6],在该标准中,将文物岩石病害类型分为7个类别,分别为:表面生物病害,包括植物、动物和微生物病害;机械损伤,包括断裂、局部缺失;表面风化,包括表面粉化剥落、泛盐、片状剥落、鳞片状起翘与剥落、表面溶蚀、空洞状风化;裂隙和空鼓,裂隙包括机械裂隙、风化裂隙、原生裂隙;表面污染和变色,包括大气及粉尘污染、水锈结壳、人为污染;彩绘石质表面颜料病害,包括颜料脱落、酥粉;水泥修补。李宏松在2011年根据自身多年研究和实践经验也提出一种文物岩石劣化类型的分级体系,其中典型的劣化类型包括剥落、空鼓、结垢、结壳、溶蚀等五大类[7]。查剑锐2021年在综合已有研究内容的基础上,将碳酸盐类石质文物风化特征总结为表面风化、表面污染和变色、裂隙、机械损伤、生物病害和不当修复六种类型。

第2章文物岩石种类及基本性质

2.1文物岩石材料种类

我国地处亚洲东部,拥有960万平方公里的土地面积,各地区地质环境不同,地下构造多样复杂,因此我国文物岩石种类繁多,通过对我国文物岩石种类的调查和总结,主要代表文物以及分布地区见下表2-1。

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根据上表中的关于我国文物岩石种类在全国范围的分布情况调查,同时也结合实际情况,本课题选取板岩、大理岩、花岗岩、灰岩和砂岩五种分布较为广泛且较易取得的岩石作为本课题主要原材料。

2.2文物岩石表面矿物含量

对于本文选取的板岩、大理岩、花岗岩、灰岩和砂岩五种主要原材料进行岩石表面矿物含量测试,采用X射线衍射分析(XRD)的方式,XRD是一种较为常见的分析物体矿物含量的方法,其分析的原理是利用X射线在晶体中的衍射现象来获得衍射后X射线信号特征,经过处理得到衍射图谱。本次采用的X射线衍射仪型号是日本RigakuUltima IV,测试靶材为铜靶,扫描范围选择常规(10-80度),具体扫描角度范围10°-80°,扫描速度10°/min,各岩石X射线衍射结果如下。

板岩的X射线衍射图谱如下图2-1,从图谱中可以得出,板岩中主要的矿物含量是石英(SiO2)、斜绿泥石(Mg6Si4O10(OH)8)。大理岩的X射线衍射图谱如下图2-2,通过图谱分析出,大理岩中的主要矿物含量是方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)。

花岗岩的X射线衍射图谱如下图2-3,通过图谱分析得出,花岗岩中主要的矿物含量是斜长石NaA lSi3O8、石英SiO2。灰岩的X射线衍射图谱如下图2-4,根据图谱显示结果得出,灰岩的主要矿物组成是方解石CaCO3、白云石CaMg(CO3)2。砂岩的X射线衍射图谱如下图2-5,根据图谱显示结果分析得出,砂岩中的主要矿物组成是石英SiO2、正长石K[AlSi3O8]。

第3章 文物岩石表面物理性能研究 ....................... 10

3.1 实验部分 .................................... 10

3.1.1 样品制备 ............................. 10

3.1.2 实验仪器及测试方法 ................. 10

第4章 文物岩石力学性能研究 ........................ 17

4.1 实验部分 ................................ 17

4.1.1 样品制备 ...................................... 17

4.1.2 实验仪器及测试方法 ....................... 17

第5章 实验室模拟冻融循环对文物岩石影响的研究 ........................ 31

5.1 冻融循环实验 ...................... 31

5.2 冻融循环对文物岩石表面硬度的影响 ........................................ 31

第6章实验室模拟盐雾腐蚀对文物岩石影响的研究

6.1盐雾腐蚀劣化实验

盐是一种影响文物岩石表面力学性能的重要因素,一般盐存在于空气中,或者是降水中,并且盐的主要成分为氯化钠NaCl,为了研究盐对文物岩石物理力学性能的影响,并结合实际实验情况,采用盐雾腐蚀来模拟盐对文物岩石的影响。采用氯化钠和蒸馏水配置实验所需的溶液,浓度设置为5%,并将溶液放置于盐雾试验箱中,本实验采用的盐雾试验箱是由江苏淮安市中亚试验设备有限公司生产的盐雾腐蚀试验箱,如下图6-1。

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将盐雾实验喷雾的周期设置为每60分钟喷雾15分钟,连续不间断的对试样进行喷雾,每天喷雾的周期24个,每15天360个喷雾周期对文物岩石的物理力学性能进行测试,与前文未劣化的值进行对比,研究盐雾劣化对文物岩石表面物理力学性能的影响。

结论与展望

结论

本文根据文献调查法对我国主要分布的文物岩石类型以及所处地区进行总结,并结合试验实际情况,选择板岩、大理岩、花岗岩、灰岩和砂岩五种文物岩石作为研究对象,分别对五种岩石的矿物组成以及微观结构、表面力学性能和物理性能进行测试,并在实验室模拟劣化环境,对劣化后岩石的各性能进行测试,并对劣化机理进行研究,得出的结论有:

(1)通过对文物岩石表面矿物含量的检测,得出板岩的主要矿物含量为石英、斜绿泥石;大理岩的主要矿物含量为方解石、白云石;花岗岩的主要矿物含量为石英和斜长石;灰岩的主要矿物含量为方解石、白云石;砂岩主要矿物含量为石英、正长石。并对文物岩石的表面物理力学性能进行测试,通过测试表面物理性能包括莫氏硬度、牛顿硬度和里氏硬度以及回弹硬度,得出的硬度关系为,莫氏硬度和回弹硬关系都为:花岗岩>板岩=灰岩>大理岩>砂岩,牛顿硬度和里氏硬度大小关系为:花岗岩>板岩>灰岩>大理岩>砂岩

(2)对岩石的力学性能测试,包括宏观力学和微观力学,宏观力学得到的结果为抗压强度的大小关系:花岗岩>板岩>灰岩>大理岩>砂岩;抗折强度大小关系为:板岩>灰岩>大理岩>花岗岩>砂岩;动态弹性模量板岩84.45GPa、大理岩50.25GPa、花岗岩22.63GPa、灰岩71.51GPa、砂岩10.37GPa。微观力学包括维氏显微硬度和位移敏感压痕,维氏显微硬度反映出五种岩石的局部硬度大小关系:花岗岩>板岩>砂岩>灰岩>大理岩;位移敏感压痕根据计算的相关参数,得出岩石表面的损伤能耗关系为,灰岩最大,其次为大理岩、砂岩、板岩,花岗岩的能耗最小。

参考文献(略)