凍融循環(huán)作用下不同含鹽土體微細結(jié)構(gòu)變化初步研究

內(nèi)容摘要：受環(huán)境影響，西北干旱區(qū)土遺址存在較為嚴重的鹽害，在干濕和凍融循環(huán)作用下，鹽分在土體中反復遷移，導致土體孔隙發(fā)生變化。本文以脫鹽后的敦煌本地土為材料，加入不同含量的氯化鈉、硫酸鈉及兩者不同比例的復合鹽，制成5×5×5cm試塊后，進行凍融循環(huán)，并用顯微鏡觀察每個循環(huán)后土體孔隙的變化。前期室內(nèi)風化實驗表明，以最優(yōu)含水率制成的試塊在室內(nèi)風化條件下，Na2SO4的鹽脹作用遠遠大于NaCl。同時根據(jù)風化實驗結(jié)果重新設(shè)計了不同含量的試塊進行凍融循環(huán)試驗。結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的孔隙變少，鹽分逐漸充滿孔隙，并且隨著含鹽量的增加而愈發(fā)明顯，與NaCl相比，Na2SO4對水分的敏感性非常強，遇水很快結(jié)晶析出，對試塊迅速產(chǎn)生破壞，二者不同比例的復合鹽的表現(xiàn)行為可以認為是兩種單鹽共同作用的結(jié)果。利用顯微鏡從土的微細結(jié)構(gòu)進行研究，從而掌握鹽分對土遺址破壞機理，可以為土遺址鹽害的防治提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán)；鹽分；土遺址；微細結(jié)構(gòu)

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0098-10

1 引言

土遺址是以土為主要建筑材料，具有歷史、文化和科學價值的古遺址[1]。土遺址是我國重要的物質(zhì)文化遺產(chǎn)，有效保護和合理利用該遺產(chǎn)，對于促進當?shù)匚幕瘋鞑ヅc社會經(jīng)濟和諧發(fā)展以及帶動地區(qū)文化遺產(chǎn)保護事業(yè)具有積極的作用[2]。

土遺址的研究主要有以下幾個方面：土遺址的病害及破壞機理研究[3]、土遺址病害類型及成因研究[4]。在文物表層，鹽分對土遺址的風化起著至關(guān)重要的作用[5-9]。郭青林等在敦煌莫高窟底層洞窟巖體內(nèi)水汽與鹽分研究中得出巖體內(nèi)的溫濕度和鹽分有很好的關(guān)聯(lián)性的結(jié)論[10]。楊善龍等在初步研究敦煌莫高窟崖體中水、鹽分布現(xiàn)狀后認為，導致敦煌莫高窟壁畫發(fā)生酥堿病變的可溶鹽類為NaCl和Na2SO4[11]。沈云霞等對交河故城的土進行脫鹽處理后，加入0%-2%的Na2SO4、0%-1%的NaCl，進行室內(nèi)模擬實驗，干濕循環(huán)后，通過對遺址土剪切強度、縱波、土體黏聚力、內(nèi)摩擦角等隨不同含鹽量變化所反映出的特征，研究了干濕循環(huán)下含鹽量變化對遺址土剪切強度的影響[12]。匡靜等通過對脫鹽遺址土摻入不同含量NaCl后制成重塑樣，模擬自然干濕循環(huán)條件養(yǎng)護，做了聲波測試和風洞試驗，就遺址土鹽漬劣化和風蝕損耗效應(yīng)做了初步分析，結(jié)果認為，含氯鹽遺址土試樣鹽漬劣化和風蝕損耗過程中，含鹽量是內(nèi)在因素，干濕循環(huán)起著外助力作用[13]。嚴耿升等對新疆交河故城原狀土和重塑土試樣進行了凍融循環(huán)試驗，通過風洞試驗和強度試驗，得出隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，原狀試樣的微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，強度減小，風蝕量增大，即耐久性持續(xù)變差的結(jié)論。相反，凍融循環(huán)初期，重塑樣的強度有所增大，風蝕量減小，耐久性得到了提高；隨著凍融循環(huán)的增加，重塑樣的強度開始下降[14]。裴強強等對PS加固不同含水率遺址土體特性進行了研究，認為PS對于旱區(qū)土遺址防風化處理具有良好的加固效果，遺址土體含水條件對PS滲透加固有顯著影響。PS加固土遺址有一定的含水適應(yīng)范圍，3%-9%含水率范圍為最優(yōu)加固條件，且在3%-9%含水率范圍內(nèi)加固效果適應(yīng)性呈略偏向于3%含水率條件的拋物線形式[15]。劉煒等研究漢長安城遺址土后認為，土樣顆粒粒徑經(jīng)凍融循環(huán)后減小[16]。本文以洗鹽后的敦煌本地土為材料，加入不同含量的氯化鈉、硫酸鈉及兩者不同比例的復合鹽，用11%的純凈水拌制，制成5×5×5cm試塊，風干后加10%純凈水，然后進行凍融循環(huán)，利用顯微鏡拍照，研究含鹽土試塊在凍融循環(huán)作用下微細結(jié)構(gòu)的變化，為土遺址保護提供一定的參考依據(jù)。

2 試驗方法

2.1 試驗儀器

（1）土遺址保護土樣制備儀

土遺址保護土樣制備儀是敦煌研究院聯(lián)合河南知信工程機械制造有限公司研制開發(fā)的一種產(chǎn)品，利用液壓傳動來控制上下模的運動制樣成形，理論最大壓力為6.2MPa。該機采用獨特的專利技術(shù)，實現(xiàn)均勻雙面加壓，使成型樣塊致密度均勻，成型效果更好。

（2）冰箱

實驗所用冰箱為SANYO所產(chǎn)的MDF-U442（N）型低溫箱，該設(shè)備培養(yǎng)室的有效利用體積為50×60×110cm，共5層，可容納280個5×5×5cm試塊。

（3）顯微鏡

試驗所用數(shù)碼顯微鏡為KEYENCE生產(chǎn)，型號為VHX-600E，主要由前面板、側(cè)面板、后面板、遙控器組成。

2.2 前期鹽分風化實驗

分別對含量為1%、3%、5%NaCl、Na2SO4、NaCl和Na2SO4的復合鹽FA、FB、FC（C∶S比例分別為1∶1，1∶2，2∶1，其中C代表NaCl，S代表Na2SO4）的土按照最優(yōu)含水率拌制，進行室內(nèi)風化研究，研究表明Na2SO4單鹽和Na2SO4含量較高的復合鹽FB（C∶S=1∶2）對試塊破壞都較NaCl和另外兩種復合鹽FA、FC嚴重。試塊產(chǎn)生鹽害是制樣時所加的水分蒸發(fā)帶動鹽分遷移表現(xiàn)的結(jié)果。

由圖1可以看出，隨著時間的推移，含氯化鈉的試塊表面微微泛白，為了制樣成形所加水分的散失對試塊的鹽分遷移影響不是很明顯。

由圖2可以看出，與氯化鈉形成鮮明對比，隨著時間的推移，含硫酸鈉的試塊表面很快有鹽分析出，并且隨著含鹽量的增加，試塊鹽脹作用愈發(fā)明顯，可見硫酸鈉對水分的敏感性非常強，遇水很快結(jié)晶析出，對試塊迅速產(chǎn)生破壞。這與NaCl和Na2SO4的性質(zhì)密切相關(guān)，前者主要是通過在土孔隙中溶解和結(jié)晶富集影響土的性質(zhì)；后者（也叫無水芒硝）在潮濕環(huán)境下易水化為Na2SO4·10H2O（芒硝），芒硝在高溫條件下又可脫水轉(zhuǎn)變成無水芒硝，這兩個過程分別伴隨著鹽體積的增大和縮小，進而影響土的性質(zhì)[2]。

由圖3可以看出，氯化鈉和硫酸鈉配比為1∶1時，鹽分的析出隨著時間的推移表現(xiàn)也比較明顯，通過氯化鈉和硫酸鈉單鹽的表現(xiàn)行為來看，硫酸鈉析出占主導地位。

由圖4可以看出，氯化鈉和硫酸鈉配比為1∶2時，鹽分的析出隨著時間的推移表現(xiàn)也很明顯，因硫酸鈉占的比例較大，故鹽害表現(xiàn)的行為更接近硫酸鈉單鹽的情況。

由圖5可以看出，氯化鈉和硫酸鈉配比為2∶1時，鹽分的析出隨著時間的推移表現(xiàn)類同氯化鈉單鹽的表現(xiàn)行為，這與氯化鈉含量較高有關(guān)。

可以看出，與NaCl單鹽和復合鹽FA、FC相比，Na2SO4單鹽和Na2SO4含量較高的復合鹽FB，鹽分析出表現(xiàn)最明顯，對試塊的破壞最大。隨著含鹽量的增大，這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯。在此基礎(chǔ)上，又單獨制備了0.1、0.2、0.4、0.6、0.8%的五種Na2SO4單鹽，實驗室室內(nèi)陰干鹽害過程如圖6。

由圖6可以看出，0.6%和0.8%的試塊鹽害非常明顯，說明低含鹽量的Na2SO4對土遺址的破壞作用也是不容忽視的。為了更好的研究不同鹽分含量對土體結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)前人研究和預實驗結(jié)果，Na2SO4對土體破壞作用較大，設(shè)計如下鹽分含量做凍融循環(huán)試驗，如表1。

2.3 凍融循環(huán)試驗

試樣選取敦煌本地土。凍融循環(huán)試驗控制試塊所處環(huán)境溫度，通過反復提高和降低試塊所處環(huán)境溫度，模擬試塊在自然環(huán)境中經(jīng)歷的凍-融過程。凍融循環(huán)試驗試塊環(huán)境溫度變化范圍設(shè)定為-20℃到常溫（20-25℃）之間，24 h完成一個凍融循環(huán)（圖7）。試塊以最優(yōu)含水率拌制，用塑料封裝24h，使水分分布均勻，然后用敦煌研究院研制的土遺址制樣機制樣。

凍融循環(huán)試驗試樣為敦煌本地土脫鹽后加入不同濃度、不同種類鹽的試塊。試驗中，將脫鹽風干后的土碾碎，過2mm篩，然后按照最優(yōu)含水率拌制不同含鹽量的試塊。試塊尺寸為5×5×5cm，每個試塊制作兩個平行樣。試樣制好風干后從頂部加入10%的純凈水，開始進行凍融循環(huán)試驗，每天晚上21：30放入冰箱冷凍12h，溫度設(shè)為-20℃，第二天早上9：30取出試塊，快速稱重、數(shù)碼拍照、顯微鏡拍照，并記錄試塊鹽害變化情況，然后放在實驗室常溫融化，到晚上21：30為一個凍融循環(huán)，再進行一次快速稱重、數(shù)碼拍照、顯微鏡拍照，并記錄試塊鹽害變化情況，然后繼續(xù)放入冰箱冷凍進行下一次循環(huán)。本試驗將試塊在-20℃凍結(jié)12h后，置于常溫融化12h（25-30℃），一次凍融循環(huán)完成，每一循環(huán)試驗完成后，對試樣進行快速稱重、拍照，觀察并記錄樣品的表面結(jié)構(gòu)變化，接著進行下一次凍融循環(huán)試驗，依次反復，直到各個循環(huán)試驗結(jié)束，共進行了10次凍融循環(huán)。本次室內(nèi)模擬試驗擬分析不同含量、不同種類鹽分在凍融循環(huán)下鹽害運移和發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，對土遺址保護提供一定理論依據(jù)。凍融循環(huán)試驗流程如圖8。

對敦煌本地土進行洗土脫鹽，其含鹽量隨脫鹽次數(shù)變化關(guān)系如圖9，洗土后土中易溶鹽含量極低，在本試驗的研究中可以忽略不計。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 凍融循環(huán)溫濕度變化曲線

溫濕度隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系曲線根據(jù)溫濕度儀記錄數(shù)據(jù)繪制，凍融循環(huán)溫濕度控制過程如圖10。

圖10表明，實驗室溫度在23℃左右，濕度整體呈下降趨勢，這與試塊本身含水有關(guān)，試塊在冰箱冷凍期間，濕度基本不變，當從冰箱取出置于實驗室融化過程中，濕度呈升高趨勢，且這種趨勢越來越弱，這是由于試塊隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加水分基本散失，所以濕度變化趨勢也逐漸平緩。

3.2 凍融循環(huán)試驗微觀結(jié)構(gòu)

凍融循環(huán)試驗微觀結(jié)構(gòu)觀察，在每一次循環(huán)之后對不同含量、不同種類試塊在同一位置進行顯微鏡拍照，結(jié)果如下圖。

由圖11可以看出，不加鹽試塊經(jīng)過凍融循環(huán)后，變化不大，顆粒間的黏結(jié)程度有所減弱，說明不含鹽土遺址在反復凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生破壞作用較小。

由圖12可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的黏結(jié)程度減弱，與不加鹽試塊相比，含NaCl試塊鹽分隨著凍融循環(huán)作用逐漸充滿孔隙，且隨著含鹽量的增加，土體結(jié)構(gòu)隨凍融循環(huán)作用變化越明顯，可見含鹽土體在反復凍融作用下極易發(fā)生破壞。

由圖13可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的黏結(jié)程度減弱，鹽分逐漸充滿孔隙。與氯化鈉試塊相比，雖然含鹽量不同，但是含硫酸鈉試塊比含氯化鈉試塊鹽分更能充滿孔隙，因為Na2SO4對水分的敏感性非常強，遇水很快結(jié)晶析出，對試塊迅速產(chǎn)生破壞。這與前期室內(nèi)風化實驗相符。

由圖14可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的黏結(jié)程度減弱，鹽分逐漸充滿孔隙。與Na2SO4試塊相比，含復合鹽FA（C∶S=1∶1）試塊比含Na2SO4試塊鹽分更能充滿孔隙，這是因為本試驗設(shè)計Na2SO4含鹽量較低，最高僅為0.3%，而復合鹽FA含量最低設(shè)計為1%，顯而易見，含NaCl試塊和含Na2SO4試塊鹽分析出沒有含復合鹽FA試塊明顯。

由圖15可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的黏結(jié)程度減弱，鹽分逐漸充滿孔隙。與復合鹽FA試塊相比，含復合鹽FB（C∶S=1∶2）試塊含鹽量雖然較低，但是由于硫酸鈉比例較高，鹽分析出表面依然較多，再一次證明Na2SO4對水分的敏感性非常強，遇水很快結(jié)晶析出，對試塊迅速產(chǎn)生破壞。同時也從微觀層面印證了前期室內(nèi)風化實驗結(jié)果。

由圖版40可見，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的黏結(jié)程度減弱，由致密變得疏松，鹽分逐漸充滿孔隙。與含復合鹽FA、FB試塊相比，含復合鹽FC（C：S=2：1）試塊土顆粒更松散，含復合鹽FA（C：S=1：1）次之，含復合鹽FB（C：S=1：2）試塊土顆粒間較致密，這與本試驗設(shè)計的三種復合鹽含鹽量不同有關(guān)，復合鹽FA、FC含鹽量1、2、3%較復合鹽FB含鹽量0.2、0.4、0.6%，差值很大，所以經(jīng)過反復凍融循環(huán)后表現(xiàn)的差異也較大。比較圖15和圖版40，鹽分析出由多到少依次是FA、FC、FB，這也與復合鹽含鹽量及NaCl和Na2SO4的比例密切相關(guān)。劉煒對漢長安城遺址土的研究結(jié)果，即土樣顆粒粒徑經(jīng)凍融循環(huán)后減小[16]，從側(cè)面印證了本文結(jié)果。

4 結(jié)論

1. 與NaCl單鹽和復合鹽FA、FC相比，Na2SO4單鹽和Na2SO4含量較高的復合鹽FB，鹽分析出表現(xiàn)最明顯，對試塊的破壞最大。隨著含鹽量的增大，這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯。

2. 不同種類、不同含量的鹽分對土遺址破壞作用和方式不同，土遺址中常見的易溶鹽氯化鈉和硫酸鈉相比，硫酸鈉破壞作用更加明顯，含0.2%硫酸鈉的試塊在反復凍融循環(huán)作用下就可產(chǎn)生破壞。

3. 土遺址的微觀結(jié)構(gòu)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的孔隙變少，鹽分逐漸充滿孔隙，尤以硫酸鈉表現(xiàn)更為明顯。

4. 凍融作用對土遺址的破壞作用很大。Na2SO4含量較多的試塊，在室內(nèi)風化即可將其破壞，而NaCl對其破壞程度遠遠弱于Na2SO4，但是含NaCl土遺址在反復凍融循環(huán)作用下，對土遺址的破壞程度也很大。

致謝：感謝裴強強館員指導使用土遺址保護土樣制備儀，崔強館員幫忙指導使用數(shù)碼顯微鏡，李燕飛副研究員提供實驗所用培養(yǎng)皿，感謝敦煌研究院保護研究所和文物保護技術(shù)服務(wù)中心各位老師在實驗過程中給予的大力幫助！

參考文獻：

[1]李最雄.我國絲綢之路土遺址加固保護[C]//2008古遺址保護國際學術(shù)討論會暨國際巖石力學學會區(qū)域研討會論文集.北京：科學出版社，2008：32-38.

[2]藺青濤.甘肅瓜州鎖陽城遺址墻體鹽分調(diào)查與分布規(guī)律研究[D].蘭州：蘭州大學碩士學位論文，2010.

[3]王旭東.夯土長城墻體掏蝕失穩(wěn)機理研究[J].西北地震學報，2011，33（增）.

[4]孫滿利.干旱區(qū)土遺址病害的分類研究[J].工程地質(zhì)學報，2007，15（6）：772-778.

[5]G. Le Métayer-Levrel，S. Castanier，G. Orial，J.-F. Loubiére，J.-P.Perthuisot.Applications of bacterial carbonatogenesis to the protection and regeneration of limestones in buildings and historic patrimony [J]. Sedimentary Geology，1999，

126：25-34.

[6]Caspar Groot， Rob van Hees， Tomas Wijffels. Selection of plasters and renders for salt laden masonry substrates[J].Construction and Building Materials， 2008.

[7]Li Zuixiong. Consolidation of a Neolithic earthen site with potassium silicate[C]//the Getty Conservation Institute， National Park Service， IC-CROM and CRATerre-EAG. The 6th International Conference on the Conservation of Earthen Architecture. United States of America： the Getty Conservation Institute， 1990： 295-301.

[8]David WATI， Belinda COLSTON. Investigating the effects of humidity and salt crystallisation on medieval masonry[J]. Building and Environment，2000， 35：737-749.

[9]VEYSEL ZEDEE Effect of salt crystallization on stones of historical buildings and monuments，Konya，Central Turkey[J]. Building and Environment， 2007， 42：1453-1457.

[10]郭青林.敦煌莫高窟底層洞窟巖體內(nèi)水汽與鹽分空間分布及其關(guān)系研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（增2）.

[11]楊善龍.敦煌莫高窟崖體中水、鹽分布現(xiàn)狀初步研究[D].蘭州：蘭州大學碩士學位論文，2009.

[12]沈云霞.干濕循環(huán)下含鹽量變化對遺址土剪切強度影響的試驗研究[J].西北地震學報，2011，33（增）： 227-230.

[13]匡靜.含氯鹽遺址土鹽漬風蝕效應(yīng)試驗研究[J].西北地震學報，2011，33（增）：209-213.

[14]嚴耿升.干旱區(qū)土遺址凍融耐久性研究[J].巖土力學，2011，32（8）：267-273.

[15]裴強強.PS加固不同含水率遺址土體的特性研究[J].敦煌研究，2009（6）：059-065.

[16]劉煒. 凍融破壞對漢長安城遺址土的結(jié)構(gòu)影響研究[J].敦煌研究，2011（6）：085-090.