微波技術在磚石質文物含水率檢測中的應用

黃繼忠，曹 鋮，2，張 悅，賀大龍，趙 朋，龔明權

(1. 上海大學文化遺產保護基礎科學研究院，上海 200444； 2. 上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；3. 山西省古建筑與彩塑壁畫保護研究院，山西太原 030012； 4. 山西省古建筑工程監理有限公司，山西太原 030012；5. 山西大同大學歷史與旅游文化學院，山西大同 037009)

0 引 言

中華民族在漫長歲月中創造并保留了大量磚石質文物，但由于長期暴露于室外環境下，一系列物理、化學及生物風化作用促使不同類型的病害綜合發育，文物的重要價值嚴重受損。影響磚石質文物劣化的外界因素主要包括溫濕度、水、可溶鹽和污染物等，水是其中最關鍵的因素之一，其來源包括大氣降雨、地下毛細水及空氣凝結水。因此，明確磚石質文物水分含量和運移規律，是解決其風化問題的首要任務[1]。

目前，含水率檢測主要應用于材料性能評價、木材加工、食品驗收及原油生產等多個領域，其測量方法分為直接法和間接法。直接法是指通過簡單的物理或化學方法去除材料中的水分，進而檢測出絕對含水率值，主要包括稱重法、碳化鈣法和蒸餾法。這類方法存在檢測時間長，結果單一等問題，并且無法測得材料內部水分的具體分布情況[2]。間接法則是基于材料與水分之間的光電性能差異進行檢測，大多為無損檢測技術，因此更適用于珍貴且不可再生的不可移動文物現場測試[3-4]。例如：紅外熱成像技術根據水對不同頻段紅外線光譜的吸收強度差異來反映文物表層含水率大小[5]；核磁共振技術通過核磁信號強度曲線表征相對含水情況[6]；微電極無損檢測技術則是以文物材料內部的視電阻率大小確定含水率高低。近年來，這些無損檢測技術在文物水分探測方面的實際應用成果逐漸增多，但如何準確、快速地評價文物內部水分分布規律仍是被關注的一大話題。

1973年，美國學者Kraszewski首次提出將微波技術應用于材料含水率檢測，至今已有幾十年發展歷程。英國公司Moisture Sensors成功將微波傳感器應用于含水率測定，并將檢測精度提高至±0.1%。德國公司Coliy最新設計的微波水分測試儀幾乎適用于所有固體，且測量范圍更廣。利用微波技術進行含水率檢測具有以下優點：無損、檢測速度快、靈敏度高、對環境的敏感性較小。另外，微波能提供很好的穿透深度，可同時檢測材料表層及內部含水率大小，相比紅外熱成像技術等更加優越，但在文物保護領域尚未得到廣泛應用。基于此，本工作研究了微波技術在磚石質文物含水率檢測方面的優勢，通過開展室內和現場檢測，全面獲取了文物內部空間含水率分布情況，并結合其病害現狀初步開展了風化成因分析。

1 微波技術與儀器

1.1 理論基礎

微波是頻率范圍在300 MHz～300 GHz的一類高頻電磁波，當其與材料相互作用時，會呈現反射、吸收及透射等特性(圖1)。水分子是極性分子，在外加電磁場的作用下其運動狀態會發生改變，同時伴隨著旋轉極化現象和能量消耗。這一能量損耗變化的過程通常采用介電常數來表征，大多數建筑材料的介電常數在1～5之間。而與之相比，水的介電常數較高，為80左右[7]。因此，水在微波波段呈現的特殊行為使利用微波技術檢測常規材料的含水率成為可能。

圖1 微波與材料的相互作用示意圖Fig.1 Schematic diagram of microwave interacting with material

材料含水率是指一定體積內自由水質量與材料質量的比值，以化學鍵形式連接的結合水不在考慮范圍內[8]。一般而言，材料含水率分為干基含水率w(dry)和濕基含水率w(wet)，其計算公式分別如下：

(1)

(2)

式中，mw為自由水質量；md為干燥的基質材料質量。

在實際檢測材料含水率的過程中，應嚴格設定微波入射波的頻率、功率等物理參數，避免對結果造成影響。若微波頻率較高，水分子之間存在很強的約束力，難以發生旋轉極化現象，介電損耗明顯；而微波功率過大，則會產生足夠熱量，從而導致材料中水分蒸發。

1.2 微波水分測定儀

本工作使用德國Hf sensor公司Moist 350B微波水分測定儀(圖2a)開展相關檢測。該儀器的微波發射頻率為2.45 GHz左右，發射功率小于1 mw，主要通過微波與材料接觸后的反射波振幅和相位變化來計算得到具體的干基含水率值[9]。該儀器的使用十分方便快捷，從發射微波、接收信號到含水率呈現，整個過程可瞬時完成。

Moist 350B微波水分測定儀配備了4個微波探頭，可滿足材料不同深度的含水率檢測，具體參數如表1所示。需要強調的是，所得含水率反映的是材料表面至內部某個深度這一特定體積范圍內的平均值(圖2b)。

表1 微波探頭的檢測參數Table 1 Measuring parameters of microwave probes

圖2 微波水分測定儀(Moist 350B)Fig.2 Microwave moisture meter (Moist 350B)

為避免誤差，實際檢測時需注意以下幾點：1)待測材料厚度必須大于所用微波探頭的檢測深度，否則會導致入射波在材料界面處提前發生反射；2)待測材料表面應光滑平整，避免其與探頭接觸不緊密而導入大量空氣，引起微波入射不充分；3)各檢測點之間應保持一定距離，防止被測區域發生重疊。

2 文物含水率檢測方案

2.1 文物概況

長春玉皇廟位于山西省長治市長治縣蔭城鎮長春村，是山西省第五批省級文物保護單位(圖3)。廟宇整體坐北朝南，現存文物建筑七座，分別是戲臺(明)，山門(明)，鐘樓(明)，鼓樓(明)，正殿(宋、金、明)，大佛殿(明)和西耳殿(清)。長春玉皇廟歷經數百年，已出現不同程度劣化，如磚石風化、墻體開裂、墻面剝落、木質結構腐朽等。

圖3 長春玉皇廟Fig.3 Changchun Yuhuang Temple

磚、石是長春玉皇廟墻體的主要建筑材料，其保存狀況與整個建筑的穩定性密切相關。前人已指出，這類巖土質材料的劣化受環境因素尤其是水分的影響巨大。基于此，本工作選取長春玉皇廟大佛殿東墻為研究對象(圖4)，借助微波技術檢測其內部含水率的空間分布情況，同時結合現場勘察初步分析病害成因，以期為后續保護工程提供可靠數據和科學依據。

圖4 大佛殿Fig.4 Dafo Hall

2.2 室內樣塊檢測

首先開展室內試驗，通過對比微波水分測定儀與傳統稱重法所得的材料含水率值，分析該無損檢測儀器的適用性和可靠性。待測樣塊為長春玉皇廟的青磚和云岡地區砂巖，其尺寸和形狀如圖5所示，箭頭所示為檢測深度方向(由表面到內部)。

圖5 室內檢測的青磚和砂巖樣塊Fig.5 Brick and sandstone samples for laboratory measurement

試驗的具體操作步驟如下。檢查樣塊，確保待測表面平整光滑，防止對微波入射造成干擾。其次，將樣塊于105 ℃烘箱內烘干24 h后拿出并放入密封容器中，待其冷卻至室溫后稱重，記錄完全干燥樣塊的質量，并采用微波水分測定儀檢測其內部的含水率分布情況。隨后，參照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》，將樣塊置于玻璃干燥器中注水淹沒并真空抽氣4 h，待其表面無氣泡冒出即認為達到完全飽和。根據樣塊吸水前后的質量變化可計算得到其飽和吸水率，并再次采用微波水分測定儀檢測不同深度的含水率。為避免材料非均質性的影響，微波探頭的測點選擇樣塊的四角和中心部位，每個位置測量多次以減小誤差；5個測點的含水率平均值則最終視為樣塊整體的含水率值。

2.3 現場墻體檢測

現場檢測時間為2019年7月25日下午，天氣晴，氣溫24～33 ℃，期間無降雨。為避免砌縫導致的探頭接觸不良等影響，測點均選在平整的青磚表面。

如圖6a所示，大佛殿東墻外壁面的測點布置為5行7列，共計35個檢測點，其編號遵從“先列后行”，如“2-1”指第2列第1行的測點。行間距為0.4 m，列間距為0.6 m，最下1行距地面高度為0.3 m，第1列與第7列距墻面邊緣均為0.3 m。第1～4行測點對應青磚材料，第5行測點對應砂巖材料。

大佛殿東墻內壁面的測點布置如圖6b所示，為3行5列，共計15個檢測點。行間距為0.5 m，列間距為1.0 m，最下1行距地面高度為0.2 m，第1列與第5列距墻面邊緣均為0.8 m。測點編號規律同上，且內壁面均為青磚材料。

圖6 大佛殿東墻測點布置圖Fig.6 Layout of the measuring points on the eastern wall of Dafo Hall

3 結果與討論

3.1 室內樣塊

微波水分測定儀針對樣塊含水率的檢測深度取決于其具體尺寸，即需保證樣塊厚度不小于所用微波探頭的穿透深度。

不同樣塊在完全干燥條件下的含水率檢測結果如表2所示?？梢钥闯?，針對4個完全干燥樣塊，微波檢測得到整體含水率值很小，基本在0.1%左右，最大不超過0.24%，該值在儀器誤差允許范圍內，可認為檢測結果與實際情況相符。

表2 完全干燥樣塊的含水率檢測結果Table 2 Moisture contents of samples after full drying (%)

不同樣塊在完全飽和條件下的含水率檢測結果如表3所示。稱重法結果表明，吸水后樣塊含水率顯著增加，青磚1和青磚2的飽和吸水率達到13.31%和14.9%。相比之下，由于砂巖樣塊孔隙率較小，其飽和吸水率值也較低，僅為3%左右。對比微波法與稱重法所得結果發現，兩者基本吻合，具有很好的一致性。此外，微波法還能揭示出樣塊不同深度含水率的微小變化，如隨著深度增加，砂巖1含水率表現為表面高內部低，而砂巖2含水率則呈現出先降低后升高的趨勢。這可能與材料內部的非均質性或局部缺陷(砂巖1表面附近有肉眼可見裂隙)有關，即層間含水率差異是由材料局部持水能力不同或微波穿透過程受到干擾引起的。

表3 完全飽和樣塊的含水率檢測結果Table 3 Moisture contents of samples after full saturation (%)

總體而言，微波水分測定儀能較為準確、可靠地檢測出磚、石質材料的含水率，結果具有分析與參考價值。

3.2 現場墻體

圖7為大佛殿東墻外壁面不同深度含水率分布情況，可以看出外壁面含水率受深度影響顯著，整體隨深度呈現先降低后升高的趨勢。墻體淺表層2 cm處的平均含水率為3.98%，最大值達到8.5%，其表面濕度較大，這與幾天前的降雨有直接關系(7月20日～7月22日)。但墻體內部平均含水率不超過1%，說明表面水分未明顯滲入。

另外，分析含水率隨高度的變化規律可以發現，墻體在檢測深度5～10 cm范圍內幾乎完全干燥，而淺表層2 cm與深部25 cm處的含水率由底部向上逐漸降低。淺表層的潮濕區域集中在距地面0.7～1.1 m高度處(第3～4行檢測點)，最高可達到1.5 m，而深部的潮濕區域主要出現在距地面0.3～0.7 m處(第4～5行檢測點)。

如前所述，外壁面檢測區域包括2種建筑材料，以距地面0.6 m處為界，上部為青磚(第1～4行檢測點)，下部為砂巖(第5行檢測點)。砂巖的介電常數為1.1～2.2，青磚的介電常數為1，兩者對微波的吸收能力幾乎相同[4]。因此，檢測結果發現砂巖區域整體含水率略高于青磚區域，表明墻體底部一定程度上受到了毛細水上升的影響。

圖7還顯示，墻體檢測區域內存在局部含水率異常點，如測點1-3、測點3-4與測點7-3對應位置。根據現場肉眼觀察可發現，這些位置的青磚已發生嚴重風化，磚塊之間存在明顯裂隙且較周圍更加潮濕。局部含水率偏高現象在2～5 cm深度范圍內均有所體現，可初步推斷開裂病害在墻體內有一定程度的發育，但具體情況仍需結合其他檢測技術開展進一步探究。

圖7 大佛殿東墻外壁面不同深度含水率分布圖Fig.7 Moisture content distribution at different depths of the exterior surface of the eastern wall of Dafo Hall

圖8為大佛殿東墻的空間含水率分布圖，對比內、外壁面的檢測結果可以發現，內壁面各深度處的含水率平均值均高于外壁面相同深度處的值。大佛殿東墻整體厚度較大，故內、外壁面的檢測區域并不存在重復性。這可能是由于室內的光照弱、通風差，造成墻體內壁面的水分蒸發更加緩慢。

圖8 大佛殿東墻空間含水率分布圖Fig.8 Spatial distribution of moisture content of the eastern wall of Dafo Hall

與外壁面不同深度的含水率分布規律類似，內壁面也表現出含水率在墻體淺表層2 cm處最高，其值隨著深度增加而逐漸降低；墻體底部含水率高于上部，表明其可能受到毛細水作用。如圖9所示，墻體底部磚塊顏色加深且結構相對疏松，表明其風化程度更為嚴重。另外，微波檢測結果顯示墻體內壁面左側含水率大于右側，現場以肉眼觀察該區域可發現大面積水漬造成的青磚顏色加深(圖9)。這可能與大佛殿后墻外(北側)地勢更高，導致該區域更容易匯水有關。

圖9 大佛殿東墻內壁面病害Fig.9 Diseases on the interior surface of the eastern wall of Dafo Hall

3.3 含水率無損檢測方法對比

目前文物材料的含水率無損檢測主要采用紅外熱成像技術、便攜核磁技術及微電極測深技術來完成。紅外熱成像無損檢測原理是通過接收材料的紅外輻射并轉化成可識別圖像形式呈現出來，因此材料的含水率不同時其表面溫度也存在顯著差異。圖10為不同青磚的紅外熱成像圖，完全干燥樣塊的表面溫度接近于空調制冷條件下的室內氣溫(23.6 ℃)，而完全飽和樣塊則趨近于水溫(25.8 ℃)。很明顯，紅外熱像儀能區分文物表面溫度的“冷區”和“熱區”，進而快速判斷出含水區域[10]。該技術具有不需要人工熱輻射源，靈敏度高，工作速度快等優勢，但缺點是僅反映了材料表面的溫度情況，難以定量表征含水率的具體值，并且無法獲取水分的內部空間分布。

圖10 不同青磚的紅外熱成像圖Fig.10 Infrared thermal image of different brick samples

便攜核磁技術和微電極測深技術也得到了文物工作者的重點關注。周華等[11]采用低場核磁技術對磚石材料進行了含水率分析。結果表明，核磁共振FID曲線所圍成面積與被測物體的含水量存在正相關函數關系。李宏松等[12]利用微電極測深技術對云岡石窟文物近表面(4 cm)的微構造、風化帶及含水程度進行了精細成像測試，有效評價了文物近表面的含水情況。以上2種無損技術雖然能判斷出文物含水率的整體變化趨勢，但均存在不足：核磁設備體積大、價格昂貴，現場測試以及后續數據處理工作量大；微電極測深系統單次可檢測的面積和深度范圍均十分有限，無法快速獲取大型文物的空間含水率分布信息，且材料的結構、成分等其他因素也會對視電阻率值造成影響，數據分析存在一定難度。

微波因其寬頻帶、分辨率高、抗干擾強、響應速度快等優點很快被研究者們熟知并加以應用。研究結果表明，利用微波技術檢測磚石質材料的含水率確實具有可行性，微波水分測定儀能快速、準確地反映材料內部不同深度的含水情況，并以三維圖像形式呈現，結果更加直觀(圖8)。目前，文物的含水率檢測仍是一大難題，微波技術的應用與推廣具有重要意義。

4 結 論

本研究以磚石質文物——長春玉皇廟為對象，通過開展室內和現場檢測，研究了微波技術在磚、石材料含水率檢測方面的適用性和可靠性，并通過與其他幾種無損檢測技術對比，分析了微波技術的特點和優勢，主要結論如下：

1) 微波技術檢測得到的青磚、砂巖樣塊含水率與傳統稱重法結果基本一致；

2) 微波技術可揭示大佛殿東墻內部含水率隨墻體深度和高度的變化，該空間含水率分布規律與文物所處環境、自身病害等密切相關；

3) 在文物含水率檢測方面，微波技術更為經濟、快速、便捷、高效、準確，應用價值高，適用功能性更強。

總之，采用微波技術檢測文物含水率能為其病害機理分析及修復方案制定等相關保護工作提供一定的科學依據，值得進一步探索與研究。

致 謝：本次科研項目得到山西省古建筑保護研究院李士杰經理等人的幫助，現場檢測工作在章云夢、鄭伊、趙恒宇、趙文冠等同學協助下完成，在此一并表示衷心感謝。