不同加固劑于考古探方土壤防風化效果的比較研究

＊張緒柘 陳麗俊 黃鳳 段偉

（西北民族大學歷史文化學院 甘肅 730030）

不同加固劑于考古探方土壤防風化效果的比較研究

＊張緒柘 陳麗俊 黃鳳 段偉

（西北民族大學歷史文化學院 甘肅 730030）

在考古發掘過程中，考古探方的坍塌會嚴重影響我們對探方層位關系的確認，亦可對各層位的包含物產生破壞和影響，深層探方更是存在著對發掘人員人身安全的隱患。在實際工作中，除了使用常規的物理支撐加固外，化學試劑加固法可從土壤入手，改變土壤顆粒間的粘結度，在源頭上對探方內壁土壤進行加固。通過實驗，對聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等有機溶劑分散體系對土壤防風化加固效果進行對比，包括加固后土壤樣塊各種性能（重量、色度、抗崩解能力等）的變化。實驗結果表明，4%-6%的PMMA丙酮溶液在各方面均具有較優良的抗風化效果且滿足考古發掘工作的要求。

加固劑；考古探方；保護；對比試驗

1.前言

在現代考古發掘過程中，防止考古探方及較深遺址的坍塌一直被當成一個重要的問題來對待，探方不同程度的坍塌嚴重影響我們對探方層位關系的確認，亦可對各層位的包含物產生破壞和影響，特別是在干燥少雨的陜甘寧地區，土壤間間隙較大，在深層探方中更容易發生事故。出于對參與考古發掘人員的人身安全問題考慮，在實際考古工作中，常會使用物理搭架加固法對考古探方內壁進行加固，但此方法因腳手架的干擾不益于對考古探方進行文化層分層，且對于較深的考古探方要搭建穩定防塌的腳手架需耗費大量人力財力，且對于部分需要保留以作日后陳列展覽所用的考古探方，此方法還因會對內壁土壤施加壓力而顯得本末倒置。而化學試劑加固法是從土壤入手，改變土壤顆粒間的粘結度，可從根本上對探方內壁土壤進行加固?，F今，各領域對于土壤防風化試劑的研究常集中在對各種試劑的改性研究，以取得更好的防風化加固效果。但在文物考古領域，對改性加固劑中各成分的作用和加固機理研究尚顯不足，大部分機理研究均為化學工作者的結果。

在此大環境下，對現階段各領域所使用的幾種經典的土壤防風化加固試劑進行研究改進，而使之能運用在考古探方內壁這樣一個特殊的環境下就顯得尤為必要了。研究組通過各種試劑對于土壤樣塊防風化加固效果的比較，且將室內實驗表征結果較優的試劑于室外2*1*1m的“模擬探方”中進行驗證，以此對比各類試劑適用于考古工作的組分的效果。

2.實驗土壤物化性質及土樣的制備

(1)實驗土壤物化性質

實驗用土壤為甘肅省蘭州市西北民族大學榆中校區所采灰鈣土。經測定其細篩土密度為1．017g/cm3，土壤pH為7．7～7．9，含水率4．8-5．1%，塑限19．6%，取土后約85%可直接過100目土篩，對比可知，試驗用土為西北地區典型的灰鈣土。

(2)土樣的制備

將所選土壤碾碎過100目土篩，稱取100-120g土壤，加蒸餾水至其塑限，并將其制成8*8*5cm的土塊，使其密度及孔隙率均優于原狀土。再將所制土塊置于密封袋中密封，使其含水率一致，兩天后取出自然風干。

3.試劑材料的選擇及其濃度

查閱各類文獻可知，現階段適用于西北陜甘寧地區土壤的防風化加固試劑主要有：聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅丙乳液、B72（丙烯酸酯與甲基丙烯酸酯的共聚物）、SH材料、PS材料等。通過對這幾種試劑的組成成分的分析比較，考慮到考古發掘工作中需通過內壁土壤顏色進行文化層分層，使用試劑后不可對土壤顏色產生較大改變，再結合一般文物保護材料選擇的原則，遂選取了7種試劑材料，并設計了共計32組濃度來進行對比實驗研究。如表1所示：

表1 試驗所用試劑材料

4.防風化加固處理樣品的制備

以制備的土壤樣塊為對象，將選定的材料及濃度對樣塊進行涂刷，每種材料單一濃度涂刷樣塊2個，每塊樣塊涂刷試劑總量為20ml。

5.檢驗方法及數據

樣品制備完成后對試樣進行以下性質的檢驗：重量變化、顏色變化、抗崩解、抗低溫等。以對比各抗風化加固劑的效果。

(1)重量變化

測量各濃度試劑處理前后樣塊的重量，得出各濃度試劑處理前后樣塊重量變化百分比如表2所示。可以看出，前四種試劑對于土壤重量的變化均較小，基本處于0．5%以下。這與樣塊間隙較小有關，試劑無法很好的滲透入樣塊中。而如聚乙烯醇、PMMA則是在樣塊表面形成一層透明有機膜以保護樣塊本體，則導致其加固前后樣塊重量變化較其他試劑大。

表2 樣塊重量變化百分比

(2)色差變化

由于考古工作中需通過探方內壁土壤顏色及內容物的特征來進行文化層分層，所以其防風化加固劑需要盡量不改變其顏色，以保證分層工作的順利進行。使用CM-A185便攜式色度計（SAV墊片SCE10°/D65）對各試劑涂刷前后色度的測量，可計算出各濃度試劑加固前后樣塊的色差變化，如表3所示：

表3 樣塊涂刷前后色差

可以看出，僅有機硅水溶液、甲基丙烯酸甲酯水溶液涂刷前后樣塊色差較小，基本處于3以下，為不可感變化。聚乙烯醇水溶液的色差則較大，2%-5%濃度涂刷下的樣塊色差均在6以上，顏色變化較為明顯。

(3)實驗樣塊耐水性檢驗

將試劑處理過的土樣放入盛有蒸餾水的燒杯中，觀察記錄試樣在水中的變化，如開裂、起皮、崩解等情況及發生的時間。試驗主要分為兩步，第一步是對各濃度試劑處理的樣品進行耐水性檢驗，然后選擇其中耐水性能優秀的樣品（在水中浸泡1h無變化）進行長期耐水試驗。試驗結果如下：

表4 樣塊表面開始起皮時間（單位：秒）

表5 1h樣塊崩解程度

由表4、表5可以看出，甲基丙烯酸甲酯水溶液、有機硅水溶液、聚醋酸乙烯酯水溶液、硅丙乳液具有一定的防護，但低濃度試劑的效果也不明顯；聚乙烯醇水溶液和PMMA丙酮溶液在樣塊表面所形成的一層保護膜能很好的將水與樣塊隔離，起到較為良好的防護作用。

6.防風化加固劑性能比較

表6 防風化加固劑效果

7.室外防風化加固實驗

根據前期試驗可以看出，在各類單組分抗風化加固劑中，聚乙烯醇水溶液、PMMA丙酮溶液和B72丙酮溶液有著較為優秀的加固性質，雖然其加固前后對樣塊會造成較大的色差，但其抗風化能力卻是遠優于其他加固劑的。

為了驗證這三類試劑的實際應用意義，實驗組在室外采用直立式開挖的方法，制作了一個長寬深為2m×1m×1m的“模擬探方”，并對其涂刷8%-10%的聚乙烯醇水溶液、PMMA丙酮溶液和B72丙酮溶液，以進一步檢驗其對于西北地區考古探方內壁防風化加固的效果(試驗期間，室外溫度最低-15℃，最高23℃，相對濕度最低13%，最高35 %)。

通過一個月的自然風化，我們可以看出三種試劑均具有良好的防風化效果，均未出現空白樣表面所產生的內壁表面酥粉現象。而對比三種試劑的效果，涂刷前后雖色差可感但不會影響實際工作中探方層位的辨認。其中PMMA丙酮溶液可在探方表面形成一層穩定的有機膜保護其不受外界環境干擾，而聚乙烯醇水溶液所成膜在土體原有缺口處會發生起翹現象，B72丙酮溶液無法成膜，防風化表面會有小顆粒脫落的現象，但不會影響探方內的發掘工作。

圖1 室外防風化加固實驗后效果

8.結論

(1)未防風化處理的土壤在結構和耐老化性能上均不及防風化處理后的土壤，在實際考古工作中需對探方進行適當的防風化處理。

(2)結合室內實驗和室外驗證的結果，8-10%的PMMA丙酮溶液具有最為優良的抗風化效果且能滿足考古發掘工作的要求。

(3)今后在考古探方化學加固的科學研究中可以通過對PMMA、聚乙烯醇、B72的改性研究來滿足實際工作的需要，以促進考古現場工作更為順利的進行。

[1]胡雙熙,張維祥等.青甘寧地區灰鈣土的成土特點[J].蘭州大學學報（自然科學版）,1990,26(3):127-136.

[2]諶文武,郭志謙等.基于SH加固材料的土遺址夯土試樣室內滴滲試驗研究[J].巖土工程學報,2015,37(8):1517-1523.

[3]趙海英,王旭東,李最雄等.PS材料模數、濃度對干旱區土建筑遺址加固效果的影響[J].巖石力學與工程學報,2006,25(3):557–562.

[4]王蕙貞.文物保護材料學[M].西安:西北大學出版社,1995:4.

Comparative Study on The Effect of Different Strengthening Agents on Soil Anti-weathering Reinforcement in Archaeological Exploration Party

Zhang Xuzhe, Chen Lijun, Huang Feng, Duan Wei

( School of History and Culture, Northwest University For Nationalities, Gansu, 730030)

In the process of archaeological excavation，the collapse of the archaeological exploration party will affect our judgement to horizon on the position relationship，and will impact on substances of position.There is a hidden trouble for archaeologist in the deeper archaeological exploration party.In the practical work，in addition to using conventional methods which is physical reinforcement，the chemical reinforcement method from the perspective of the soil，to change the degree of binding between soil，and reinforced soil on the source.After experiment，use organic solvent such as PMMA dispersion system for soil weathering proof reinforcement effect were compared，including all kinds of performance of soil changes after reinforcement（weight，chroma，ability to resist collapse and so on）.The experiment results show that 4%-6% PMMA acetone solution in all aspects are excellent weathering resistance effect，and meet the requirements of archaeological excavations.

reinforce the reagent；archaeological exploration party；protect；contrast test

K

A

((責任編：王恒)

西北民族大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（項目編號：201610742021）。

張緒柘（1997～），男，西北民族大學歷史文化學院，研究方向：文物保護。