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土遺址鹽害機理與抑制研究綜述

2020-09-22 03:33:30張良帥陳家昌賀思予
敦煌研究 2020年3期

張良帥 陳家昌 賀思予

內容摘要:土遺址是指以土為主要材料的具有歷史、文化和科學價值的一類古代文化遺產。作為一種多孔材料,由于長期受環境的負面影響,絕大多數的土遺址存在不同程度的病害。其中,鹽是直接或間接導致病害的主要因素之一。在以往研究的基礎上,從土遺址中鹽的來源與種類、鹽的狀態、水鹽運移機理、鹽害作用機理、鹽害抑制研究幾個方面進行梳理與探討。鹽分反復溶解結晶的相變、水合及其他物理化學變化是使得材料劣化的關鍵因素。目前常用的脫鹽法、轉化法、抑制劑法都不能有效控制鹽害的發生。向土體施加具有一定控水效能的功能材料,進而使土遺址中水鹽穩定化才是解決鹽害問題的正確思路。

關鍵詞:土遺址;鹽害;侵蝕機理;抑制

中圖分類號:TU-87;TU41? 文獻標識碼:A? 文章編號:1000-4106(2020)03-0129-08

A Summary of the Research on the Cause and Control of

Salt Damage at Earthen Sites

ZHANG Liangshuai1 CHEN Jiachang2,3 HE Siyu1

(1. Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450001; 2. Henan institute of cultural relics and archaeology,

Zhengzhou, Henan 450000; 3. Key scientific research base of state administration of

cultural heritage for urban archaeology and conservation, Zhengzhou, Henan 450000)

Abstract: Earthen sites refer to a specific kind of ancient cultural heritage with historical, cultural and scientific value. Because soil is a porous material, most earthen sites suffer from varying degrees of decomposition due to long-term environmental effects. Salt is one of the main factors that directly or indirectly leads to such decomposition. On the basis of previous studies, this paper summarizes and discusses the following aspects of salt damage at earthen sites: the sources and types of salt common in soil sites; the different states of salt found at various sites; the mechanism of water and salt transport the leads to decomposition; the chemical process that leads to salt damage, and current findings about how salt damage can be controlled. This paper considers that the repeated dissolving and crystallization, as well as hydration, of salt in earthen sites are the critical physiochemical factors in the erosion mechanism underlying salt damage. Furthermore, the methods of desalination, reforming of earthen sites, and general inhibition and control of salt damage currently used cannot effectively control long-term deterioration. Instead, the levels of salt in the soil of earthen sites should be stabilized by adding some water controlling materials on the surface of the soil.

Keywords: earthen sites; salt damage; erosion mechanism; damage control

土遺址是指以土為主要材料的具有歷史、文化和科學價值的一類古代文化遺產,主要包括古城址、古房址、古墓葬、古窯址等。土是地球上最豐富的建筑材料,在我國古代文明進程中發揮了重要作用。根據已公布的六批全國重點文物保護單位名單, 我國現已探明的重要土遺址共有378處[1]。盡管土遺址具有堅實耐久的特點,但在一定條件下也極易發生病害,導致土體垮塌等。土作為典型多孔材料,由于孔隙中鹽結晶壓力而受到破壞,這是文物保護科學與巖土工程等領域的重大課題[2]。相關研究將土遺址病害歸納為2個大類、7個小類、19個亞類[3],主要為掏蝕、酥堿、表面風化等,而鹽則是導致這些病害的主要因素之一。本文通過對土遺址中鹽的侵蝕機理與抑制研究進行梳理與總結,以期為土遺址鹽害提供解決思路。

1 土遺址中鹽的來源、種類與狀態

1.1 鹽的來源

1.1.1 土體礦物風化成鹽

土是巖石圈表層在漫長的地質年代里,經受各種復雜的作用所形成的具有固、液、氣體三相組成的體系。固相是土的主要成分,其礦物組成包括石英、長石、方解石、高嶺石、白云石、綠泥石、蒙脫石、伊利石等。土體礦物的風化會促進鹽的生成,如“長石出現高嶺土化后析出的K、Na離子,為可溶鹽的形成提供物質基礎。方解石膠結物溶蝕形成石膏,白云石膠結物溶蝕形成瀉鹽”[4]。

1.1.2 大氣污染成鹽

土質文物多在暴露的環境中與空氣長時間接觸,導致土體礦物與空氣中的有害氣體發生反應,進而產生可溶鹽[5]。Riontino等研究表明“石膏的來源主要為空氣中的SO2在文物表面氧化沉積形成”[6],曹軍驥也認為空氣中的SO2在硫酸鹽的析出過程中起一定的作用[7],在對云岡石窟的研究中,“同位素證據表明石窟表面鹽類中硫的來源主要是大氣干濕沉降”[8]。

1.1.3 地下水中的鹽遷移

在長期的實踐中,研究者發現了土遺址中鹽與水存在密切關系。黃四平等發現,土壤鹽分在遺址內部的空間分布具有規律性, 遺址表面易溶鹽主要為氯化鈉和硫酸鈉,微溶鹽為硫酸鈣,隨著距離遺址表面深度的增加,可溶鹽以氯化鈉、氯化鉀為主,微溶鹽硫酸鈣的含量很少[9],這是因為鹽的溶解與遷移特性不同。秦虎等發現,在一定的毛細高度范圍內鹽的上升高度與其種類有關,相同質量百分比濃度單鹽溶液的毛細水最大上升高度排列為 NaCl>Na2SO4,在兩者的復合溶液中NaCl占比越大上升高度越高[10]。張丹等認為,不同深度處土樣的含水率越小電導率越大,且土壤表面的含水率最小,電導率最大[11],這同樣是由鹽的遷移造成的。Lewin通過研究石質文物中水鹽遷移發現:“當孔隙溶液從石質文物內部向表面遷移的速度大于水分從表面的散失速度時,鹽分便在文物表面結晶并聚集;當鹽溶液向表部的遷移慢于水分等蒸發時,鹽分便在文物表層下一定深度處結晶并聚集。”[12]劉小玉通過對秦陵K9901陪葬坑的模擬試驗,發現即使水位較深,在經過較長時間后地下水還是會將可溶鹽攜帶至土壤表層,造成鹽分的不斷累積,進而產生鹽害[13]。蔡樹英等認為表土鹽漬化程度隨地下水礦化度的增加而增加,其關系如式1[14]。

S=C×A×eBH(式1)

(C 為地下水礦化度;H為地下水深度;A、B為經驗常數。)

1.2 鹽的種類

根據溶解性不同鹽可分為可溶鹽與難溶鹽,其中可溶鹽又分為易溶鹽、中溶鹽與微溶鹽,土遺址中對土體產生侵蝕作用的主要為可溶鹽。通過對西安半坡祭祀坑、秦陵百戲俑坑、唐皇城含光門、秦始皇帝陵及漢陽陵、西安明城墻、熊家冢、老山漢墓、三門峽虢季墓、銀川西夏陵3號陵與6號陵、玉皇廟山戎墓、三楊莊、鎖陽城、北庭西大寺、蘇巴什佛寺、跨湖橋、良渚、江西李渡燒酒作坊、含嘉倉、北宋東京順天門、回洛倉等遺址表面析出鹽分或土樣的分析,發現可溶鹽種類主要是Na2SO4、NaCl、Na2SO4·10H2O、CaSO4、CaSO4·2H2O、MgSO4、

MgSO4·XH2O、CaCl2·6H2O、K2SO4、Na2Ca(SO4)2、KNO3、KCl、MgCl2等。其中,干燥土遺址可溶鹽分主要為Na2SO4、NaCl等,潮濕土遺址可溶鹽分主要為Na2SO4、NaCl、CaSO4、MgSO4等。

1.3 鹽的狀態

土遺址中的土一般為固、液、氣三相并存的非飽和土,鹽在土體中一般可分為固、液兩相,其存在狀態取決于土體含水率。當含水率較高時,鹽溶于水中,但當溫度及土體含水率發生變化時,鹽通常會發生不穩定相變,對于土遺址的破壞就發生在這一過程之中。以具有最大破壞力的Na2SO4為例,當少量的Na2SO4均勻分布于土體時能提升土體強度[15];但當水的含量降低時,極易到達過飽和析出;而Na2SO4析出通常不是簡單的相變過程,22℃以下水合成Na2SO4·7H2O,22℃—32.4℃先形成Na2SO4 再過渡為Na2SO4·10H2O,32.4℃以上結晶出斜方晶型的Na2SO4[16];Na2SO4·7H2O處于亞穩定狀態,因而Na2SO4的析出產物通常有芒硝和無水芒硝兩種。水合作用一般發生在硫酸鹽中,因此Na2SO4、CaSO4、MgSO4的破壞力都是巨大的。胡紅巖等對取自秦始皇帝陵、漢陽陵土遺址土樣中的成鹽元素、成鹽類型、鹽的晶體結構和類型進行了分析,結果表明,雖然樣品之間存在著顯著差異,但鹽的結晶形態取決于樣品的存賦地點和環境[17]。

2 鹽害機理

2.1 鹽分對于土體的影響

鹽能影響土體的顆粒級配,包括顆粒大小和各粒徑成分在土中的占比,進而影響土體性質。諶文武等認為,鹽分對砂粒范圍內的顆粒粒徑作用不顯著;對細粉粒具有團聚作用,使得細粉粒占比相對減少,粗粉粒占比相對增減;對黏粒具有團聚作用,隨著鹽分質量分數的增加,粗黏粒和細黏粒的占比均減少[18]。同時,鹽分的存在會對土體內部的孔隙起到一定程度的堵塞和充填作用,從而影響土體的滲透性。鹽在早期相變過程中將孔隙填充,鹽結晶體與土體顆粒產生一定的交聯,進而使強度提升。硫酸鈉對土體孔隙的影響比氯化鈉顯著的原因在于,其結晶形態的不同,Na2SO4及其水合產物的結晶形態為疏松的樹枝狀,與土顆粒的連接更加緊密。NaCl的結晶為規則的相對緊密的顆粒狀,與土顆粒連接程度較低。后期Na2SO4對于土體的破壞程度更強,原因在于其與NaCl的不同侵蝕機理。

2.2 鹽害臨界值

土遺址作為文物具有其特殊性,量化其鹽害程度并與研究鹽害臨界值對鹽害的治理具有重要的參考價值。張曉英等通過超景深三維顯微系統測定表面剖面輪廓曲線,通過土餅凸情況評價土壤損壞量,以確定鹽害臨界值,結果表明含鹽超過0.1%,就會導致鹽脹面積突然增加[19]。夏寅等認為,鹽害出現的臨界值應為0.4%[20]。楊善龍等通過實驗,進一步確定西北干旱地區土遺址鹽害閾值為w(Cl-)≤6.5×10-4,w(SO42-)≤1.3×10-3,且土中易溶鹽總含鹽量≤0.2%[21]。

2.3 鹽害作用模式

目前對于鹽害作用模式,有以下幾種觀點:{1}結晶壓;{2}水合壓;{3}體積膨脹壓;{4}熱量變化;{5}化學作用等。雖然在混凝土中鹽的作用存在化學反應[22],但鹽在土質文物中主要是物理作用。靳治良等認為,結晶壓、水合壓、體積膨脹壓是造成鹽害的主要原因[23],但其所討論的“體積膨脹壓”根本上是由結晶壓導致的。因此鹽在土體中的作用主要在于結晶壓(式2)、水合壓(式3)與熱膨脹壓[24]。不同種類鹽的結晶壓如表1[25],幾種常見鹽的水合壓如表2[26]。

P=(RT/Vs)ln (C/Cs)? ?(式2)

(P是晶體生長的壓力(atm);R是理想氣體定律的氣體常數,0.082(L·atm/mole/K);T是絕對溫度,單位為K;Vs是固體鹽的分子量;C是結晶過程中溶質的實際濃度;Cs是飽和時溶質的濃度。)

P=[(nRT)/(Vh-Va)]ln (Pw/Pw′)? ?(式3)

(P是大氣中的水合壓力;n是水合過程中獲得的水的摩爾數;R是理想氣體定律的氣體常數, 0.082(L·atm/mole/K);T是絕對溫度,單位是K;Vh是水合物的摩爾體積(cm3/mole);Va是水合前鹽的摩爾體積(cm3/mole);Pw是一定溫度下水的蒸汽壓;Pw′是一定溫度下水合鹽的蒸汽壓。)

干旱地區與潮濕地區的土遺址中鹽的種類與狀態都存在差異。靳治良等調研了幾處典型土遺址和壁畫的鹽害狀況并分析,發現硫酸鈉的相變復雜性和對依存土質文物本體的破壞性最為顯著[27]。就同樣飽和度下結晶壓力而言,NaCl>CaSO4>Na2SO4>CaSO4·2H2O等,NaCl應為最具破壞力的鹽。但實際上NaCl的溶解度受環境的影響較小,在自然環境中很難達到過飽和。Na2SO4等硫酸鹽易受溫、濕度變化影響,極易發生從液相向固相的轉變,從而產生巨大的結晶壓力。同時,“氯化鈉結晶物質地堅硬、粒度均勻,而硫酸鈉結晶物質地疏松、易風化、易潮解”[28],二者的結構區別也導致作用機理的差異。硫酸鹽在土體中還會發生水合作用,造成破壞,其中硫酸鈣的水合壓力最為顯著。

熱膨脹壓是鹽侵蝕文物的另一重要原因,由于鹽與文物材質熱膨脹系數不同而產生。Vendrell-Saz研究認為NaCl的熱膨脹使西班牙塔拉戈納羅馬紀念碑遭受侵蝕[29],Teresa Diaz Gon-alves等認為,熱膨脹可以導致材料粉末化、分解或其他劣化,包括內部凝聚力的喪失,但不會導致鹽負荷層脫落[30]。

3 鹽害抑制研究

鹽分從一定程度上來說,可以認為是土遺址固有成分。鹽分在土質文物本體保護中,并不都是起著反向的作用。模擬實驗發現向素土中加入少量鹽分之后,在一定狀態下會使其強度得到提升[31],這說明鹽分在穩定狀態下是作為土體膠結材料而存在的,說明鹽在土體中的作用是雙向的。鹽分反復的溶解結晶過程中發生的相變、水合及其他物理化學變化造成了土體材料的劣化。目前,土遺址鹽害的抑制方法以下幾種。

3.1 脫鹽法

脫鹽是目前應對土遺址鹽害中最普遍的方法,其原理主要是通過吸附材料將土遺址中的鹽分遷移到脫鹽材料中。文物保護領域常用的脫鹽方法是紙漿吸附法,但在土遺址脫鹽中的效率并不高。林波、李鳳潔等提出泥敷脫鹽法[32,33];張金風提出犧牲土層法[34];錢玲等提出用復合淀粉接枝丙烯酰胺高分子聚合物脫鹽,并進行了相關實踐[35-38];康紅衛研究了耐鹽吸水樹脂的脫鹽性能[39];相關單位還研發了脫鹽裝置與方法[40]。脫鹽法雖然操作簡單,但周期長,成本較高,且脫鹽材料并不能完全將土遺址中的可溶鹽脫除,長期來看并不能完全解決鹽害問題。

3.2 鹽結晶抑制劑法

結晶抑制劑有兩種,一種是防止或延緩成核的成核抑制劑,另一種是能降低特定晶面生長速率從而改變晶體習性的習性調節劑[41,42]。目前的研究認為,二乙烯三胺五甲叉膦酸(DTPMP)、1-羥基亞乙基二磷酸(HEDP)、聚天冬氨酸鈉、氨基三亞甲基叉膦酸(ATMP)、亞鐵氰化鉀、亞鐵氰化鈉等具有抑制鹽結晶破壞的潛力。鄭若芝等在研制的NTA鹽重結晶抑制劑對氯鹽重結晶析出有抑制效果,且能在較寬pH范圍內保持性能穩定[43];Lubelli研究認為0.5%亞鐵氰化鈉能在結晶過程中影響NaCl的結晶形態,使立方晶體改變為海綿狀[44];Rivas等認為亞鐵氰化物增加了NaCl的溶解度,并能降低結晶尺寸[45];Charles Selwitz等研究認為,亞鐵氰化鉀將NaCl的溶解度增加約25—30%[46];張秉堅等認為氨基三亞甲基叉膦酸、亞鐵氰化鉀可分別作為Na2SO4與NaCl結晶抑制劑,發現其能夠降低鹽的結晶率使鹽更易脫除[47];陳彥明認為,0.1%的二乙烯三胺五甲叉膦酸可有效抑制硫酸鈉結晶[48];魚汶通過模擬實驗,認為亞鐵氰化鉀和聚天冬氨酸鈉都能夠使可溶鹽結晶能力減弱,而聚天冬氨酸鈉的效果及性能更好[49]。

目前已知的抑制劑都具有選擇性,即一種抑制劑通常只對特定類型的鹽有效。且抑制劑的作用對pH有一定要求,如DTPMP在微堿性環境中具有最大的效力[50],亞鐵氰化鉀在pH>9時都失去了抑制能力。除此之外,抑制劑法還存在穩定性、安全性、成本等問題。

3.3 轉化法

轉化法的原理是引入第三種物質將可溶鹽轉化為難溶或不溶的沉淀,控制其不穩定相變,達到脫鹽與加固同步進行的效果。李玉虎等在磚質文物中利用Ba(OH)2等材料將Na2SO4單向轉化成難溶性鹽 BaSO4,并認為可填充加固磚體,實驗室中轉化率在10%—35%之間[51,52]。存在的問題是轉化率有限,且只針對Na2SO4。

3.4 控鹽法

“鹽侵蝕的發生需要多孔材料中同時存在可溶性鹽、水與適當的環境條件”[53]。水在土中的存在形式分為自由水與結合水(強結合水和弱結合水),其中弱結合水是結合水膜的主要部分,是決定土體力學性質的重要因素。影響鹽的水分主要為自由水與弱結合水,且二者存在關聯效應。當環境濕度下降時,自由水首先散失,其中的可溶鹽隨之達到過飽和結晶。當自由水消耗到一定程度,弱結合水中溶解的鹽開始結晶并帶出大量的結晶水,同時減小結合水膜厚度,使土體顆粒狀態發生改變,在結晶壓與水合壓協同作用下使土體力學強度降低,進而誘發土遺址病害。因此,抑制可溶鹽侵蝕的關鍵在于控制土體中水的變化。可利用具有一定控水效力的功能材料減緩土體中自由水的散失,使弱結合水保持一定程度的穩定。弱結合水的穩定會使一定量的可溶鹽處于液相,自由水中可溶鹽的過飽和度也會降低。這樣當環境中水分波動時,一方面鹽的結晶頻率會降低,另一方面析出的結晶鹽的量也會減少,進而提升土遺址在水鹽變化過程中的耐受性,實現以水控鹽的保護目的。基于上述原理,陳家昌提出土遺址“濕保護”的思路,研發出具有一定控水功效的AMC材料[54,55],在河南內黃三楊莊遺址保護中應用且達到了較好的保護效果[56]。

4 結 論

土遺址賦存環境條件千差萬別、可溶鹽侵蝕機理復雜、表現形式多樣、鹽害治理復發幾率較大,目前的研究進展并未解決所有鹽害問題。土遺址連接大地,水鹽運移時刻在進行,脫鹽成本較高,且只能在一定時間內緩解卻不能從根本上解決鹽害問題。近年來鹽結晶抑制劑受到高度關注,但其對于鹽的種類具有選擇性,一般對于pH有較高的要求。轉化法理論上能消耗一部分的硫酸鹽,但效率不高且具有局限性,只能對Na2SO4實現10%—35%的轉化。因此,針對土遺址可溶鹽的侵蝕問題,首先應控制土體中水分的穩定,可通過加入一定量的、具有調節土體孔隙水分效力的功能材料實現對土體自由水的控制,極大程度上減緩自由水散失速度,使土體中的弱結合水實現穩定化,處理后的土遺址長期處于一定程度的濕潤狀態,再輔助環境濕度控制,從而達到以水控鹽的“濕保護”效果。

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