凍融循環作用下不同含鹽土體微細結構變化初步研究

內容摘要：受環境影響，西北干旱區土遺址存在較為嚴重的鹽害，在干濕和凍融循環作用下，鹽分在土體中反復遷移，導致土體孔隙發生變化。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，并用顯微鏡觀察每個循環后土體孔隙的變化。前期室內風化實驗表明，以最優含水率制成的試塊在室內風化條件下，Na2SO4的鹽脹作用遠遠大于NaCl。同時根據風化實驗結果重新設計了不同含量的試塊進行凍融循環試驗。結果表明，隨著凍融循環次數的增加，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明顯，與NaCl相比，Na2SO4對水分的敏感性非常強，遇水很快結晶析出，對試塊迅速產生破壞，二者不同比例的復合鹽的表現行為可以認為是兩種單鹽共同作用的結果。利用顯微鏡從土的微細結構進行研究，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。

關鍵詞：凍融循環；鹽分；土遺址；微細結構

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文化遺產，有效保護和合理利用該遺產，對于促進當地文化傳播與社會經濟和諧發展以及帶動地區文化遺產保護事業具有積極的作用[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重要的作用[5-9]。郭青林等在敦煌莫高窟底層洞窟巖體內水汽與鹽分研究中得出巖體內的溫濕度和鹽分有很好的關聯性的結論[10]。楊善龍等在初步研究敦煌莫高窟崖體中水、鹽分布現狀后認為，導致敦煌莫高窟壁畫發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，進行室內模擬實驗，干濕循環后，通過對遺址土剪切強度、縱波、土體黏聚力、內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，模擬自然干濕循環條件養護，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做了初步分析，結果認為，含氯鹽遺址土試樣鹽漬劣化和風蝕損耗過程中，含鹽量是內在因素，干濕循環起著外助力作用[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試驗，通過風洞試驗和強度試驗，得出隨凍融循環次數增大，原狀試樣的微結構出現損傷，強度減小，風蝕量增大，即耐久性持續變差的結論。相反，凍融循環初期，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范圍，3%-9%含水率范圍為最優加固條件，且在3%-9%含水率范圍內加固效果適應性呈略偏向于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，土樣顆粒粒徑經凍融循環后減小[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，利用顯微鏡拍照，研究含鹽土試塊在凍融循環作用下微細結構的變化，為土遺址保護提供一定的參考依據。

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合河南知信工程機械制造有限公司研制開發的一種產品，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，實現均勻雙面加壓，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所產的MDF-U442（N）型低溫箱，該設備培養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

試驗所用數碼顯微鏡為KEYENCE生產，型號為VHX-600E，主要由前面板、側面板、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）的土按照最優含水率拌制，進行室內風化研究，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。試塊產生鹽害是制樣時所加的水分蒸發帶動鹽分遷移表現的結果。

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，試塊鹽脹作用愈發明顯，可見硫酸鈉對水分的敏感性非常強，遇水很快結晶析出，對試塊迅速產生破壞。這與NaCl和Na2SO4的性質密切相關，前者主要是通過在土孔隙中溶解和結晶富集影響土的性質；后者（也叫無水芒硝）在潮濕環境下易水化為Na2SO4·10H2O（芒硝），芒硝在高溫條件下又可脫水轉變成無水芒硝，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[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也比較明顯，通過氯化鈉和硫酸鈉單鹽的表現行為來看，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也很明顯，因硫酸鈉占的比例較大，故鹽害表現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類同氯化鈉單鹽的表現行為，這與氯化鈉含量較高有關。

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，鹽分析出表現最明顯，對試塊的破壞最大。隨著含鹽量的增大，這種現象愈發明顯。在此基礎上，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構的影響，根據前人研究和預實驗結果，Na2SO4對土體破壞作用較大，設計如下鹽分含量做凍融循環試驗，如表1。

2.3 凍融循環試驗

試樣選取敦煌本地土。凍融循環試驗控制試塊所處環境溫度，通過反復提高和降低試塊所處環境溫度，模擬試塊在自然環境中經歷的凍-融過程。凍融循環試驗試塊環境溫度變化范圍設定為-20℃到常溫（20-25℃）之間，24 h完成一個凍融循環（圖7）。試塊以最優含水率拌制，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，開始進行凍融循環試驗，每天晚上21：30放入冰箱冷凍12h，溫度設為-20℃，第二天早上9：30取出試塊，快速稱重、數碼拍照、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，再進行一次快速稱重、數碼拍照、顯微鏡拍照，并記錄試塊鹽害變化情況，然后繼續放入冰箱冷凍進行下一次循環。本試驗將試塊在-20℃凍結12h后，置于常溫融化12h（25-30℃），一次凍融循環完成，每一循環試驗完成后，對試樣進行快速稱重、拍照，觀察并記錄樣品的表面結構變化，接著進行下一次凍融循環試驗，依次反復，直到各個循環試驗結束，共進行了10次凍融循環。本次室內模擬試驗擬分析不同含量、不同種類鹽分在凍融循環下鹽害運移和發生發展的規律，對土遺址保護提供一定理論依據。凍融循環試驗流程如圖8。

對敦煌本地土進行洗土脫鹽，其含鹽量隨脫鹽次數變化關系如圖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 試驗結果分析

3.1 凍融循環溫濕度變化曲線

溫濕度隨循環次數的變化關系曲線根據溫濕度儀記錄數據繪制，凍融循環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，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次數的增加水分基本散失，所以濕度變化趨勢也逐漸平緩。

3.2 凍融循環試驗微觀結構

凍融循環試驗微觀結構觀察，在每一次循環之后對不同含量、不同種類試塊在同一位置進行顯微鏡拍照，結果如下圖。

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

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

由圖13可以看出，隨著循環次數的增加，土顆粒間的黏結程度減弱，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，遇水很快結晶析出，對試塊迅速產生破壞。這與前期室內風化實驗相符。

由圖14可以看出，隨著循環次數的增加，土顆粒間的黏結程度減弱，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，這是因為本試驗設計Na2SO4含鹽量較低，最高僅為0.3%，而復合鹽FA含量最低設計為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，隨著循環次數的增加，土顆粒間的黏結程度減弱，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，遇水很快結晶析出，對試塊迅速產生破壞。同時也從微觀層面印證了前期室內風化實驗結果。

由圖版40可見，隨著循環次數的增加，土顆粒間的黏結程度減弱，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，這與本試驗設計的三種復合鹽含鹽量不同有關，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，所以經過反復凍融循環后表現的差異也較大。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。劉煒對漢長安城遺址土的研究結果，即土樣顆粒粒徑經凍融循環后減小[16]，從側面印證了本文結果。

4 結論

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，鹽分析出表現最明顯，對試塊的破壞最大。隨著含鹽量的增大，這種現象愈發明顯。

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作用下就可產生破壞。

3. 土遺址的微觀結構隨著凍融循環次數的增加，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碼顯微鏡，李燕飛副研究員提供實驗所用培養皿，感謝敦煌研究院保護研究所和文物保護技術服務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討論會暨國際巖石力學學會區域研討會論文集.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查與分布規律研究[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機理研究[J].西北地震學報，2011，33（增）.

[4]孫滿利.干旱區土遺址病害的分類研究[J].工程地質學報，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水汽與鹽分空間分布及其關系研究[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試驗研究[J].西北地震學報，2011，33（增）：209-213.

[14]嚴耿升.干旱區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構影響研究[J].敦煌研究，2011（6）：085-090.