大河村房基遺址可溶鹽與含水率的相關(guān)性研究

李洪濤 郝利民 劉偉 胡繼忠

摘 要：【目的】通過分析紅燒土中可溶鹽與含水率的相關(guān)性，找出引起大河村遺址房基紅燒土表層病害原因。【方法】采用稱重法、原子吸收光譜儀、滴定法檢測(cè)樣品的含水率、陽離子、陰離子含量，通過變異系數(shù)分析得到房基紅燒土不同部位的可溶鹽組分及含水率的差異性，通過Pearson相關(guān)性分析，得到可溶鹽組分與含水率存在的相關(guān)性。【結(jié)果】研究表明：①紅燒土不同位置含水率差異顯著，含水率最低值為1.98%，最高值為5.86%，最高值為最低值的2.96倍，變異系數(shù)為24.12%；②紅燒土不同位置可溶鹽含量差異顯著，可溶鹽各組分的差異性由大到小依次為：Cl-[>]SO42-[>]CO32-[>]Mg2+[>]Ca2+[>]Na+[>]K+；③不同位置樣品的含水率與Cl-和K+含量顯著相關(guān)，大河村遺址紅燒土的含水率會(huì)隨著Cl-和K+含量增加而升高。【結(jié)論】房基遺址的高可溶鹽含量是引起表層病害的主要因素。

關(guān)鍵詞：大河村遺址；紅燒土；可溶鹽；含水率；變異系數(shù)；相關(guān)性

中圖分類號(hào)：K878? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2024）04-0088-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.016

Study on the Correlation Between Soluble Salt and Water Content in the Building Foundation Site of Dahe Village

LI Hongtao1? ? HAO Limin1? ? LIU Wei1? ? HU Jizhong2

（1.Institute of Geography， Henan Academy of Sciences， Zhengzhou 450052， China; 2.Zhengzhou Dahe Village Museum， Zhengzhou 450052， China）

Abstract：[Purposes] This paper analyzes the correlation between soluble salt and water content in the burnt soil， and finds out the cause of the surface disease of the burnt soil of the house foundation. [Methods] The moisture content， cation and anion content of the sample were measured using weighing method， atomic absorption spectrometer， and titration method. The differences in soluble salt components and moisture content in different parts of the red burnt soil on the building foundation were obtained through coefficient of variation analysis. The correlation between soluble salt components and moisture content was obtained through Pearson correlation analysis. [Findings] Research shows that： ① There are significant differences in moisture content in different positions of braised soil， with the lowest moisture content being 1.98%， the highest moisture content being 5.86%， the highest moisture content being 2.96 times the lowest value， and the coefficient of variation being 24.12%; ② There is a significant difference in the soluble salt content in different positions of braised soil， and the differences in the components of soluble salt from large to small are as follows： Cl->SO42->CO32->Mg2+>Ca2+>Na+>K+; ③ The moisture content of samples at different locations is significantly correlated with the Cl - and K+content， and the moisture content of the braised soil at the site will increase with the increase of Cl - and K+content. [Conclusions] The high soluble salt content in the foundation site is the main factor causing surface diseases of the site.

Keywords： Dahe Village site; braised soil; solublesalt; watercontent; coefficientofvariation; correlation

0 引言

大河村遺址位于河南省鄭州市，地處華北平原西南部的邊緣地帶，橫跨我國(guó)第二級(jí)和第三級(jí)地貌臺(tái)階，區(qū)域性差異明顯。大河村遺址是我國(guó)20世紀(jì)70年代最重要的考古發(fā)現(xiàn)之一，其中大河村房基是我國(guó)迄今為止發(fā)現(xiàn)的保存最完好的史前居住基址。大河村房基是一組多間相連的長(zhǎng)方形房屋建筑群，總面積約600 m2，系典型的“木骨整塑”陶房建筑形式，其格局奠定了中國(guó)北方傳統(tǒng)民居建筑的基本形制［1-2］。房基遺址發(fā)掘后，紅燒土墻體出現(xiàn)泛白、酥堿粉化、墻體開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重者紅燒土墻體發(fā)生垮塌、脫落等。加強(qiáng)遺址現(xiàn)狀勘察和病害分析對(duì)于大河村房基遺址和同類土遺址的研究和保護(hù)都具有重要意義。

可溶鹽對(duì)土顆粒的團(tuán)聚有黏結(jié)作用，但其運(yùn)移和結(jié)晶是造成土遺址風(fēng)化的重要因素之一。可溶鹽在土遺址表面析出形成堆積，進(jìn)一步形成硬殼狀，造成遺址的泛白現(xiàn)象，頻繁的吸水—脫水產(chǎn)生膨脹—收縮破壞作用，逐漸造成遺址出現(xiàn)裂隙、土質(zhì)酥粉等病害，甚至造成遺址下部酥粉塌落及表面粉化、脫落和結(jié)垢等病害的發(fā)生［3-6 ］。黏性土的含水率對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度影響較大，含水率增大，力學(xué)強(qiáng)度降低；反之，力學(xué)強(qiáng)度升高［7-9］。目前有關(guān)土遺址可溶鹽與含水率的相關(guān)性研究相對(duì)較少，總體處于初始階段，大部分研究都是在室內(nèi)模擬完成的，且多在開放式環(huán)境條件下進(jìn)行［5］。本研究檢測(cè)分析了保存在室內(nèi)環(huán)境中的大河村房基遺址不同位置的可溶鹽、可溶鹽組分及含水率等因素，并對(duì)它們之間的相關(guān)性進(jìn)行研究。

1 分析測(cè)試方法

1.1 含水率

含水率的測(cè)定采用稱重法（Gravimetric）。用萬分之一精度的天平秤取樣品的重量，記作樣品的濕重M；將稱量好的樣品放入烘箱105 ℃烘8～12 h至恒重，稱量烘干后的樣品重量，記作樣品干重Ms。含水率計(jì)算公式見式（1）。

含水率（%）=（樣品濕重-樣品干重）/樣品干重×100 （1）

1.2 陽離子含量

取通過1 mm篩孔的風(fēng)干樣品2 g（精確到0.001 g），加入10 mL去CO2蒸餾水振蕩均勻，高速離心去除部分不溶物，再將上清液用慢速濾紙過濾。使用原子吸收光譜儀測(cè)定陽離子含量。

1.3 陰離子含量

取通過1 mm篩孔的風(fēng)干樣品10 g（精確到0.001 g），加入50 mL去CO2蒸餾水振蕩均勻，高速離心去除部分不溶物，再將上清液用慢速濾紙過濾。使用滴定法測(cè)定陰離子含量［10］。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品采集

首先，對(duì)所有的房基遺址做了表相觀察分析，結(jié)合發(fā)掘報(bào)告，對(duì)房基遺址的病害進(jìn)行初步的分類和評(píng)估。其次，參照文物采樣的基本原則對(duì)房基的5個(gè)部位進(jìn)行采樣分析。采樣部位見平面、立剖面分布示意如圖1所示，采集樣品見樣品說明見表1。

2.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

2.2.1 檢測(cè)結(jié)果。5個(gè)樣品的含水率及多種陰離子、陽離子的含量測(cè)試結(jié)果見表2。由表2可知，房基遺址可溶鹽總含量平均值為10 254.13 mg/kg，所測(cè)樣品可溶性陰離子的平均含量為6 253.78 mg/kg，所測(cè)樣品可溶性陽離子的平均含量為4 000.35 mg/kg；房基遺址中Ca2+含量最高，平均值為2 516.7 mg/kg，約是其他陽離子總和的1.7倍。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析。檢測(cè)結(jié)果采用Excel2010和SPSS13.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果見表3、表4。

2.2.2.1 變異系數(shù)分析。變異系數(shù)分析見表3。由表3可知，不同樣品含水率差異較大。5個(gè)樣品中，含水率最低值為1.98%，最高值為5.86%，最高值為最低值的2.96倍，變異系數(shù)為24.12%；不同樣品可溶鹽的組分及總含量差異顯著，5個(gè)樣品可溶鹽各組分的差異性（變異系數(shù)）由大到小依次為：Cl-> SO42->CO32-[>]Mg2+>Ca2+>Na+>K+；陰離子的差異性均高于陽離子；差異最大的Cl-含量最低值為526.71 mg/kg，最高值為5 112 mg/kg，最高值為最低值的9.71倍，變異系數(shù)為32.36%；差異最小的是K+含量，最高值為最低值的1.59倍，變異系數(shù)為8.35%；5個(gè)樣品中，可溶鹽最低值為7161.25 mg/kg，最高值為13 389.12 mg/kg，最高值為最低值的1.87倍，變異系數(shù)為12.05%。

2.2.2.2 相關(guān)性分析。相關(guān)性分析見表4。由表4可知，房基遺址不同位置的含水率與Cl-和K+含量具有相關(guān)性，不同位置的Cl-和K+含量高會(huì)導(dǎo)致含水率升高；房基遺址的K+與Cl-和Na+含量具有相關(guān)性，不同K+含量的樣品其Cl-和Na+含量差異顯著。

3 結(jié)論

房基遺址不同部位樣品含水率差異較大，含水率最低值為1.98%，最高值為5.86%，最高值為最低值的2.96倍，變異系數(shù)為24.12%。不同位置樣品的含水率與Cl-和K+含量具有相關(guān)性（0.05 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)），遺址紅燒土的含水率會(huì)隨著Cl-和K+含量增加而升高。

房基遺址不同位置可溶鹽的組分及總含量差異顯著，可溶鹽總含量最高為13 389.12 mg/kg，最低為7 161.25 mg/kg，最高值為最低值的1.87倍，變異系數(shù)為12.05%；5個(gè)樣品可溶鹽各組分的差異性（變異系數(shù)）由大到小依次為：Cl->SO42->CO32->Mg2+>Ca2+> Na+>K+，其中Cl-最高值為最低值的9.71倍，變異系數(shù)為32.36%。

不同位置樣品的含水率與Cl-和K+含量具有相關(guān)性（0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)），房基遺址紅燒土的含水率會(huì)隨著Cl-和K+含量增加而升高。

4 討論

4.1 可溶鹽與含水率的內(nèi)在關(guān)聯(lián)

房基遺址中的Cl-、Ca2+ 、Mg2+含量較高，可溶鹽中的氯化物應(yīng)以CaCl2、MgCl2為主，CaCl2、MgCl2具有吸濕性強(qiáng)，暴露于空氣中易潮解的特性。同樣環(huán)境下，房基遺址中Cl-含量高的部位吸濕性更強(qiáng)，必然導(dǎo)致該部位的含水率高，使其含水率與Cl-含量呈現(xiàn)正相關(guān)性。房基遺址的K+和Na+含量具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，這可能是遺址中可溶鹽主要來源于毛細(xì)水的重要例證。

4.2 影響可溶鹽含量的因素

大河村房基遺址紅燒土的主要礦物組成是由石英與長(zhǎng)石組成，燒成溫度應(yīng)在900 ℃以上［11］。遺址土在過火過程中組成物質(zhì)發(fā)生了很大變化：有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)完全損失，無機(jī)的膠結(jié)物部分損失，材料的彈性消失，剛性增加，土顆粒空隙增大等［12］。紅燒土中膠結(jié)物質(zhì)的減少在一定程度上提高了可溶鹽的析出，土顆粒空隙增大提升了房基遺址的毛細(xì)輸水能力，加之大河村遺址緊鄰大運(yùn)河南岸地下水位較淺和遺址保護(hù)房風(fēng)洞效應(yīng)等因素，導(dǎo)致可溶鹽通過地下水轉(zhuǎn)移、富集到地面以上的房基遺址中。

4.3 可溶鹽抑制保護(hù)技術(shù)

文物遺址的防鹽、去鹽方法可分為物理和化學(xué)兩大類［13］。物理法減輕鹽類病害一是利用某些脫鹽材料將可溶鹽與水分一同脫離出來，敦煌研究所曾和美方專家合作發(fā)明了一種脫鹽材料，這種材料可以在運(yùn)用灌漿技術(shù)后，將可溶鹽和水分脫出。二是通過表面吸附材料將可溶鹽和水分吸附脫離，如高強(qiáng)度吸水紙配合軟海綿等。但是此類方法很難將鹽分完全脫出，反而會(huì)打破土壤中鹽分平衡規(guī)律，造成遺址進(jìn)一步被破壞。化學(xué)法減輕鹽類病害是利用滲透性和膠黏性較強(qiáng)的物質(zhì)，有效地切斷水分的遷移路徑，從而使鹽析現(xiàn)象得以抑制。三是在遺址表面噴涂有機(jī)硅防水涂料形成保護(hù)膜，基層中即使有可溶鹽，也無法滲透到磚表面達(dá)到抑制的作用。此類方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)磚石建筑類文物能起到較好的抑鹽作用，缺點(diǎn)是鹽分在遺址表層有機(jī)硅膜內(nèi)側(cè)形成堆積，易造成遺址表層的龜裂，進(jìn)一步造成表面層的脫落。

鹽晶體的生長(zhǎng)是由溶液的過飽和度和結(jié)晶的位置所決定的。當(dāng)前，土遺址鹽析抑制劑研制的基本思路是延遲成核和修改本體溶液中晶體生長(zhǎng)速率。

4.4 含水率變化對(duì)土遺址穩(wěn)定性的影響

土遺址中的水分為結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水3種。結(jié)合水將土顆粒連接在一起，使之具有黏滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度；毛細(xì)水由于彎液面力（或稱毛細(xì)力），使土體具有內(nèi)聚力，但內(nèi)聚力較小；重力水沒有抗剪強(qiáng)度，受剪切時(shí)，即發(fā)生流動(dòng)。黏性土含水率增大，結(jié)合水膜厚度增大，土顆粒之間的距離增大，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角減小，從而土體的抗壓和抗剪強(qiáng)度都降低［14］。叱干曉敏［15］研究得出含水率對(duì)黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響：含水率變化對(duì)安全系數(shù)影響顯著，且明顯強(qiáng)于地震荷載作用；隨著含水率增加，安全系數(shù)變化速率均表現(xiàn)為逐漸減小；同一含水率情況下，削減坡高比減小坡度更有效。大河村房基遺址紅燒土無法通過削坡措施提高其穩(wěn)定性，因此如何降低遺址的含水率是提高安全系數(shù)的有效途徑。

劉平等［16］通過測(cè)定交河故城和高昌古城樣品的收縮特征曲線得出：土樣的體積收縮率與土中黏粒含量和黏土礦物類型有關(guān)，隨著砂粒含量的增大，土的體積收縮將受到很大抑制；土樣的縮限、液限和塑限之間存在一定的相關(guān)性，縮限均隨液塑限的降低而減小，并且土的縮限與塑限相接近。

師智勇等［17］研究結(jié)果表明高于一定溫度的紅燒土，水已經(jīng)不能使其崩解，那么造成破壞的就是凍融和鹽結(jié)晶。凍融和鹽結(jié)晶的過程中，過火的土剛性強(qiáng)，無法抵抗壓力，出現(xiàn)脆性的破壞，而且由于沒有有機(jī)質(zhì)，比表面積小，因此紅燒土的酥粉、崩塌、空鼓等病害是不可逆的，如果不及時(shí)采用恰當(dāng)?shù)闹卫泶胧瑢?huì)給遺址保護(hù)帶來永久的危害。

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