西北干旱區土遺址泥敷脫鹽試驗研究

林波 王旭東 楊善龍 郭青林 陳雨 李鳳潔

內容摘要：本研究首次引入歐洲在磚石類遺址保護領域中應用已久的泥敷脫鹽法作為預防性干預措施，對選定的2組泥敷脫鹽材料的特性進行測試，并分別組合成4組脫鹽泥敷材料，對模擬試塊進行脫鹽處理。結果表明：膨潤土的吸水能力和保水能力優于細粒土，BC1000纖維素的釋水速度及干燥速度均快于普通纖維素。組合成的4組脫鹽材料的脫鹽能力各不相同：細粒土加上普通纖維素脫去Cl-1和SO2-4的能力最優；膨潤土加上普通纖維素和細粒土加上普通纖維素脫去SO2-4的能力遠勝于它們脫去Cl-1的能力；膨潤土加上BC1000纖維素和細粒土加上BC1000纖維素脫去Cl-1和SO2-4的能力相當。

關鍵詞：干旱；土遺址；泥敷脫鹽

中圖分類號：K.854.39 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2014）04-0127-08

一 引 言

土遺址是人類在歷史進程中以土為建筑材料創造的、具有文物價值的遺跡[1]。我國的土遺址數量眾多，分布廣泛，尤以西北五省居多，其中具有代表性的有西夏王陵、鎖陽城、交河故城等等。這些土遺址正遭受著自然營力和人為破壞的威脅，其中鹽類風化是造成片狀剝離、掏蝕、酥堿等病害的主要原因之一[2，3]。對于由鹽類風化造成的輕微病害，如表層片狀剝離、表層起甲等，工程上通常采用PS加固技術進行治理[4]；對于嚴重到無法恢復病害區原狀的病害，如墻體根部嚴重掏蝕、凹進并已威脅到墻體穩定性的病害，主要使用脫鹽灰土和碎石等材料，按照一定比例制成土坯膏體進行砌補或者夯補，必要時輔助化學漿液加固或者錨桿加固等手段[5]。這些搶救性的干預措施大多是在鹽類風化已經產生破壞之后實施的，往往會對土遺址的結構和外觀造成不利的影響[6，7]。因此，積極引進國外磚石類遺址脫鹽處理措施中最常用的泥敷脫鹽法，以之為預防性的干預措施，不僅能豐富我國文物工作者對土遺址采取預防性干預措施時的選擇，而且篩選出和土質文物類似的黏土質無機材料作為脫鹽材料也與文物修復的基本原則相符。同時這也是國內土遺址保護領域中脫鹽研究的首次嘗試。

泥敷脫鹽法作為國外磚石類遺址脫鹽處理措施中最常用的手段之一，以其高效、經濟和最小干預的優點被廣泛應用于遺址保護領域，并取得了豐碩的成果[8-10]。泥敷脫鹽法指的是將一定含水率的泥敷劑膏體覆于遺址表面并使之保持一段時間，讓水分進入到物體淺層并溶解易溶鹽，在隨后的干燥過程中，由于泥敷劑膏體和遺址表層的干燥行為及鹽分濃度的不同，易溶鹽會隨著水分由遺址表層進入到泥敷劑并結晶滯留，從而實現脫鹽的方法。泥敷脫鹽法的優點之一是導入到遺址淺部的水分少，且脫鹽周期往往只需數天即可完成，脫鹽處理后的遺址表面可迅速干燥。但這種脫鹽過程往往需要重復幾次才能得到滿意的結果。

二 實驗準備及過程

室內泥敷脫鹽研究的步驟是：將試驗用土進行水洗脫鹽，得到脫鹽土；根據實測土遺址中的鹽分賦存狀況選定混合鹽，然后將脫鹽土和混合鹽按照一定的比例混合，并添加定量的水分，將混合物攪拌均勻后制成模擬試塊；以充分干燥后的模擬試塊為待脫鹽土體，然后利用選定的4組脫鹽材料對模擬試塊進行脫鹽試驗。

2.1 待脫鹽試塊的制備

2.1.1 試驗用土

本次試驗選用敦煌市楊家橋鄉蘭州村的田間土作為試驗用土，選用敦煌安吉爾公司生產的純凈水作為水洗脫鹽的溶劑。經過4次洗滌、沉淀后，量取洗土溶液的上清液進行檢測。當測得的常見易溶鹽離子的含量均低于0.03%時，即可認為此時試驗用土內的易溶鹽已經全部脫去。

2.1.2 混合鹽選定

對西北地區具有代表性的4處土遺址（嘉峪關長城、玉門漢長城、瓜州鎖陽城、吐魯番交河故城）的鹽分總量的統計表明，這4處土遺址的總含鹽量均小于5.5%；對西北地區具有代表性的12處土遺址內的易溶鹽含量的測試結果表明，每處土遺址內Na+、Cl-1、SO2-4的總含量均超過50%，近一半的土遺址內三種離子的總含量超過了75%。對具有代表性的19處土遺址內實測的Cl-1和SO2-4所占的百分比進行統計，分別計算出Cl-1和SO2-4的比值，并以此比值作為衡量NaCl和Na2SO4相對含量的參考標準。結果表明，對這19處的Cl-1/ SO2-4含量取平均值后，二者的比值在0.5左右。

綜上所述，模擬試塊內的鹽分應符合如下要求：所加鹽分為NaCl與Na2SO4的混合鹽，且二者的質量比為1：2，同時混合鹽的總含量應低于5.5%。

2.1.3 試塊制作

本次制樣共稱取脫鹽干燥土4.8kg，所加鹽分總質量為185g，其中 NaCl和Na2SO4的含量分別為62g和123g，二者質量比約1：2。由計算可知，模擬試塊中總含鹽量的理論值約為3.7%。制樣時將脫鹽土和混合鹽充分混合，加水約700ml，將混合物充分攪拌，利用土遺址制樣機壓制成試塊，再將壓好的試塊立即放到電熱恒溫鼓風箱里烘24h。其中在80℃下烘4h，在105℃下烘20h，最后得到22個高度為3.1±0.1cm、直徑為7cm的圓柱狀干燥脫鹽試塊。由此可知，理論上平均每個干燥脫鹽試塊含NaCl 約2.8g，含Na2SO4約5.6g，合計8.4g。忽略制樣過程中由于攪拌不均等因素帶來的誤差，假定2.8g NaCl和5.6g Na2SO4在圓柱體干燥試塊內是均勻分布的。選取若干干燥情況較好的試塊，利用寬膠帶將試塊四周以及底面密封，露頂面，用作試驗試塊。

試驗采用上海精宏實驗設備有限公司生產的DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱、由敦煌研究院和河南知信工程機械制造有限公司聯合研制的土遺址制樣機。

2.2 脫鹽材料的特性測試

在泥敷劑中主要發揮吸水功能與釋水功能的材料分別稱為吸水材料與釋水材料。吸水材料除了具備吸水功能之外，還具備一定的釋水功能，只是其吸水能力大于釋水能力，所表現出來的綜合特性為吸水，釋水材料亦是如此。泥敷劑作為一種輔助性的修復材料，通常應具備以下功能：保持一定量的水分，以便與遺址表層之間建立水力聯系；能將水分釋放到遺址表層，以便溶解鹽分；能將遺址表層的水分吸收出來，并將溶解的鹽分一同帶出來。

根據《中國文物古跡保護準則》第1章總則第6條“研究應當貫穿在保護工作全過程，所有保護程序都要以研究的成果為依據”的原則，遵照第3章總則第22條“按照保護要求使用保護技術。獨特的傳統工藝技術必須保留。所有的新材料和新工藝都必須經過前期試驗和研究，證明是最有效的，對文物古跡是無害的，才可以使用”的要求，對我國西北地區的土遺址進行脫鹽試驗研究時，針對西北地區土遺址的自身狀況和賦存環境，以歐洲國家實踐已久且卓有成效的脫鹽材料為基礎，選定膨潤土和細粒土為吸水材料，選定普通纖維素和BC1000纖維素為釋水材料，脫鹽材料的參數如表1所示。

2.2.1 吸水材料的特性測試

吸水性測試：將2個試塊的表層用等量的水分預濕后，分別將粉末狀的膨潤土和細粒土用導水紙包裹起來，均勻敷貼于試塊表面，并施加相同的壓力，使吸水材料和試塊表面緊密接觸，每間隔一定時間就稱量試塊質量的變化，并計算出試塊減少的質量，用減少的質量來衡量膨潤土（細粒土）對遺址土體的吸水能力，測試結果見圖1。

由圖1可知，大約在吸水之后的1h內，細粒土的吸水量略大于膨潤土。1h過后，膨潤土的吸水量開始反超，直到測試結束。截至測試結束的36h內，膨潤土和細粒土各自所吸的水分含量分別為5.41g和4.5g。試塊預濕所用水量為8ml，即為8g。計算可得膨潤土吸收了67.6%的水，細粒土吸收了56.3%的水，即二者均吸收了超過50%的水量，前者吸水能力優于后者。

干燥性測試：稱取等量的膨潤土和細粒土，分別緩慢加水將二者調和至塑性狀態，記下此時各自的用水量，然后置于室內環境中讓其自行干燥。每間隔一定時間就測試二者的質量變化，用減少的質量來衡量二者的干燥特性。由于拌制25g的膨潤土和25g的細粒土所需水量分別為11ml和7ml，所以二者的失水性應按各自失水量的百分比來比較。即在測試時間段內，計算出膨潤土和細粒土所失去水分的質量與各自加水量之比值的百分數，并將這個百分數定義為膨潤土和細粒土的失水率，測試結果見圖2。

從圖2可以看出，達到塑性狀態的膨潤土和細粒土有類似的失水趨勢。二者在最初的24h內水分都迅速散失，失水曲線陡直，并于24h左右達到大約相同的失水率。不同之處在于，24h內細粒土的失水率一直領先于膨潤土的失水率，24h后細粒土幾乎不再失水，失水率穩定在84.6%，而此時膨潤土的失水率仍在持續上升，最終達到92%并保持穩定。這一結果表明：在一定的時間范圍內，膨潤土的保水性優于細粒土，即膨潤土的干燥時間長于細粒土。等干燥之后，膨潤土自身只保留了8%的水分，而細粒土則保留了大約15%的水分。這部分保留的水分是否轉變為二者礦物成分中的結晶水，尚有待驗證。

2.2.2 釋水材料的特性測試

釋水性測試：以剛好吸收48ml水為標準，所需普通纖維素為17g、BC1000纖維素為7g，分別將這兩種纖維素均勻敷貼于干燥試塊表面，并施加相同壓力，使之與試塊表面緊密接觸。每隔一定的時間就稱量試塊的質量變化，并計算出質量的增加量，以這個增加量來衡量纖維素的釋水能力。比較二者的釋水能力應該以單位質量纖維素的釋水量為評價標準，測試結果見圖3。

從圖3可以看出，兩種纖維素的釋水曲線的趨勢基本類似。在最開始的30min內，兩種纖維素的釋水量迅速升至最大值，然后迅速降低。不同之處在于，BC1000纖維素的釋水速度和釋水量始終高于普通纖維素，30min后兩種纖維素大約維持了10h的穩定釋水期，在這個釋水期內，單位質量的普通纖維素和BC1000纖維素所釋放的水分分別維持在0.1g和0.2g左右，隨后二者的釋水量開始銳減，并持續至釋水過程完全終止。由圖虛線可知，兩種纖維素大約在釋水開始后的19h—24h內完成釋水過程，24h后兩種纖維素開始吸收其釋放給試塊的水分，即24h之后纖維素開始展現出其吸水特性。

干燥性測試：干燥性測試也將脫離試塊本體，單獨測試兩種纖維素對溫濕度波動的應變反應。具體操作是：參照釋水特性測試，取17g普通纖維素和7gBC1000纖維素，分別用48ml水攪拌后，兩種纖維素剛好達到飽水狀態。每隔一定的時間就稱量兩種纖維素的質量。比較這兩種纖維素的失水性只需比較單位質量纖維素的失水量即可，測試結果見圖4。

由圖4可以看出，兩種纖維素的失水曲線趨勢類似，都是隨著時間的推移，其失水量逐步升高。不同之處在于，單位質量的BC1000纖維素在相同時段內的失水量均大于普通纖維素的失水量，這預示著BC1000纖維素比普通纖維素干燥得快。但是BC1000纖維素的優勢在于吸收等量的水所需纖維素的質量比普通纖維素的質量少得多，因此在對垂直墻面進行材料篩選時，BC1000纖維素因其較輕的優點往往更具優勢。

2.3 泥敷脫鹽

2.3.1 泥敷劑膏體的制作

參照表2中的無機脫鹽材料的組合，分別稱取吸水材料21g、釋水材料7g，并混合均勻。因為每組泥敷材料的吸水能力不同，在拌制泥敷劑時，以每組泥敷材料剛好達到塑性狀態為標準，加水攪拌，將泥敷材料和水的混合物調制成泥敷劑膏體。制作各組脫鹽材料所需水量如表2所示。

2.3.2 干預層的選擇

干預層的作用是放在試塊與膏體泥敷劑中間，防止兩者因水分喪失而固結在一起，同時也便于脫鹽完成后將泥敷劑從試塊表面揭取下來。對于預濕后表層迅速變軟的土遺址土體來說，干預層是必不可少的。篩選干預層材料的過程也相當嚴格。本次正式試驗之前，一共做了3次嘗試才最終確定用棉紙做干預層材料。

2.3.3 脫鹽操作及數據記錄

在脫鹽試驗中，為4組脫鹽材料分別設置了平行樣，以便減小操作誤差，回避偶然誤差。所用試塊統一用8ml的水進行預濕，然后分別將泥敷膏體敷貼于試塊表面的濕潤干預層上，并施加相同的壓力，使之與試塊緊密接觸，如圖5所示。

間隔不同的時間稱量泥敷劑膏體與試塊的質量，并計算出質量與初始質量的差作為衡量脫鹽過程是否完成的標準。結果表明，與4組泥敷脫鹽材料相對應的泥敷劑膏體與試塊的質量減少量隨著時間推移不斷增加，大約96h后，增加的趨勢趨于平緩，說明泥敷劑膏體與試塊的質量不再減少，泥敷脫鹽的進程已經接近結束。室內環境中，在預濕加水量為8ml時，4種脫鹽材料對應的脫鹽周期大概在96h左右。

所謂脫鹽周期，指的是將泥敷劑敷貼于試塊干預層表面直到泥敷脫鹽作用終止、水分徹底干燥的這段時間。在本次室內試驗中，一次脫鹽周期的完成以泥敷劑膏體與試塊的質量不再發生變化為標志。從理論上講，脫鹽周期越短，對遺址土體的傷害就越小。所以脫鹽周期的長短也是考核泥敷劑是否合格的標準之一。但此次評估將不考慮脫鹽周期的因素，因為脫鹽周期的長短和制作泥敷劑膏體時所添加的水量有直接關系，而在本次試驗中，用不同的脫鹽材料組制作不同的泥敷劑膏體時所加的水量不同，所以無法在同一水平上以脫鹽周期的長短來評估各組材料的脫鹽效果。但是制作泥敷劑時加水量和脫鹽周期的長短之間的關系還有待研究。

脫鹽過程完成后，將干燥的泥敷劑連同干預層一起揭取下來，以便進行易溶鹽含量的測試。脫鹽之后試塊的表面狀況如圖6所示。

從圖6可以看出，除了膨潤土加上BC1000纖維素以及細粒土加上普通纖維素作為泥敷材料致使試塊表層出現坑洼之外，其余試塊的表面均平整無缺。原因可能是膨潤土與BC1000纖維素的混合物中膨潤土所占比例過大，使混合后的泥敷劑膏體吸附力過強，脫鹽完成之后，泥敷劑和試塊仍難以分開，稍微施加外力，即將試塊的表層土體帶走；也可能是在調制泥敷劑膏體時，由于BC1000纖維素的吸水性過高，使制成的泥敷劑膏體的含水量過多，在敷貼于試塊表面之后，將過多的水分導入到試塊表層，較大程度地改變了表層土體的結構，等脫鹽完成后，稍微施加外力，也很容易將試塊的表層土體帶走。而細粒土加上普通纖維素的混合物并不是兩個平行試塊都出現了破壞現象，只有一個試塊的表面被破壞，且破壞出現在試塊的邊緣，形成的坑并不深。

脫鹽完成后，分別用100ml的純凈水將收集到的泥敷劑和干預棉紙層浸泡12h，然后取上清液進行易溶鹽含量測試。由于所加混合鹽為NaCl和Na2SO4的混合物，因此只需檢測Cl-1和SO2-4的離子含量，即可對這4組脫鹽材料的脫鹽效果進行比較，使用美國戴安公司生產的ICS-90型離子色譜儀測得兩種離子的含量，見表3。

三 分析與討論

首次泥敷脫鹽的時間在2013年5月13日14：30到5月17日14：30之間。由溫濕度儀記錄的數據可知，在測試時段內溫度在3℃之內波動，且晝夜溫差逐日降低；從5月15日到16日，相對濕度超過了25%。總體而言，測試時段內溫濕度波動不是很大。

3.1 以Cl-1的質量為評價標準

根據表3的數據記錄，現以Cl-1的含量為評價標準，對4組脫鹽材料的脫鹽能力進行對比，結果如圖7所示。

從圖7可以看出，就脫去Cl-1的能力而言，細粒土加上普通纖維素的脫鹽能力最強，脫去Cl-1的含量可達378mg；其余3組脫鹽材料的脫鹽能力相差不大。

將吸水材料相同而釋水材料不同的細粒土與普通纖維素的混合物及細粒土與BC1000纖維素的混合物單獨進行比較，造成兩者脫去Cl-1的能力相差迥異的原因是兩者的釋水材料不同，在拌制泥敷劑膏體時所需水量也不同，而不同的水量導入到試塊表層，發生的水鹽運移現象自然也不同。很有可能是由于BC1000纖維素導入了過多的水，在干燥過程中水鹽運移未能在泥敷劑內終止，而是在試塊表層的某個位置提前終止，因此在干燥的泥敷劑內測到的鹽分含量較低。

3.2 以SO2-4的質量為評價標準

根據表3的數據記錄，現以SO2-4的含量為評價標準，對4組脫鹽材料的脫鹽能力進行對比，結果如圖8所示：

可以看出，就脫去SO2-4的能力而言，脫鹽能力最強的是細粒土加上普通纖維素，其次是膨潤土加上普通纖維素，再其次是膨潤土加上BC1000纖維素，最差的是細粒土加上BC1000纖維素。

膨潤土加上普通纖維素能夠在脫鹽試驗中脫穎而出，推測其原因有兩點：第一，普通纖維素和BC1000纖維素分別作為釋水材料，前者導入試塊表層的水分剛好能夠保證水鹽運移順利完成，即鹽分能夠順利地進入泥敷劑膏體；而膨潤土加上BC1000纖維素是以BC1000纖維素作為釋水材料，因此導入試塊表層的水分過多，以至于干燥過程中在試塊表層發生水分淤積，淤積的水分自然也不會將易溶鹽帶至泥敷劑膏體。待干燥完成后，在用膨潤土與普通纖維素制成的泥敷劑膏體中檢測到的鹽分含量自然比用膨潤土于BC1000纖維素制成的泥敷劑膏體中的鹽分含量高。這兩組脫鹽材料水分滲透時的水鹽運移現象也印證了這一推測。第二，膨潤土作為吸水材料依次和兩種纖維素混合，可能在混合普通纖維素時，膨潤土更能發揮其吸濕性能。因為普通纖維素所需水量比BC1000纖維素所需水量要少，而少量的水分不足以讓膨潤土內部的水分含量過高，也就是說，在混合吸水較弱的普通纖維素時，膨潤土的吸濕能力更強，因此對水鹽的吸收能力更強。

3.3 四組脫鹽材料所脫Cl-1和SO2-4質量的對比

根據表3的數據記錄，將每組脫鹽材料所脫去的Cl-1和SO2-4的質量進行比較，結果見圖9。

可以看出，細粒土加上普通纖維素脫去這兩種離子的能力一直領先于其他3組材料。就單組材料而言，膨潤土加上普通纖維素和細粒土加上普通纖維素脫去SO2-4的能力遠勝于它們脫去Cl-1的能力，而膨潤土加上BC1000纖維素和細粒土加上BC1000纖維素脫去Cl-1和SO2-4的能力相當，這可能是因為普通纖維素和BC1000纖維素的吸水能力不同，導致兩者分別和膨潤土及細粒土混合組成的脫鹽材料對Cl-1和SO2-4的吸收能力產生差異；也可能是制作試塊時加上入的NaCl本來就比Na2SO4要少，而這兩組材料比其他材料對NaCl和Na2SO4含量的差異更加敏感，從而使這兩組材料脫去SO2-4的能力和脫去Cl-1的能力相差甚遠。究竟是哪種原因，尚待實驗證實。

四 結論

（1）在一定范圍內，膨潤土的吸水能力和保水能力均優于細粒土，BC1000纖維素的釋水速度及干燥速度均快于普通纖維素，且吸收等量的水分所需BC1000纖維素的質量要少得多。

（2）就脫去Cl-1而言，細粒土加上普通纖維素的脫鹽能力最強，其余三組脫鹽材料的脫鹽能力相差不大。

（3）就脫去SO2-4而言，細粒土加上普通纖維素脫鹽能力最強，其次是膨潤土加上普通纖維素，再其次是膨潤土加上BC1000纖維素，細粒土加上BC1000纖維素的脫鹽能力最差。

（4）細粒土加上普通纖維素的綜合能力為同組最強，膨潤土加上普通纖維素和細粒土加上普通纖維素脫去SO2-4的能力遠勝于它們脫去Cl-1的能力，膨潤土加上BC1000纖維素的混合物和細粒土加上BC1000纖維素的混合物脫去Cl-1和SO2-4的能力相當。

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