濕度影響下莫高窟壁畫地仗層吸附水及吸力變化特征研究*

李鳳潔 王旭東 郭青林

(①蘭州大學土木工程與力學學院西部災害與環境力學教育部重點實驗室， 蘭州 730000， 中國) (②國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心， 敦煌 736200， 中國) (③甘肅省古代壁畫與土遺址保護重點實驗室， 敦煌 736200， 中國)

0 引 言

莫高窟是我國乃至全世界規模最大的佛教藝術洞窟群，洞窟內保存著大量不同年代的精美壁畫。地仗層是壁畫顏料層與砂礫巖崖體支撐層之間的泥層，為壁畫繪制提供平整的表面(李最雄， 2005)。古代工匠就地取材，取莫高窟窟前大泉河河道內顆粒極細的沉積土并加入一部分砂，之后加水調成泥狀涂抹在洞窟中的砂礫巖崖體表面，干燥后即形成地仗層。

莫高窟常年氣候干燥，多年平均降雨量不足40mm(劉洪麗等， 2016)，加之地下水位埋深較大，因此窟內壁畫地仗層土體經常處于低含水率、高吸力的狀態。當外界濕度升高，地仗層將吸附空氣中的水汽，并將水分以結合水的形式儲存在地仗層土體中(蘇伯民， 2010)。在沒有其他液態水來源(例如地下水毛細上升或崖體內水分滲透)的情況下，較干燥的地仗層基本處于高吸力狀態，并且其中吸力變化及吸附水特征與外界環境濕度有關。

探究環境濕度影響下地仗層中吸附水特征以及其中吸力變化特征，對于科學闡釋干旱環境下壁畫病害機理以及游客參觀帶入水汽對洞窟長期影響機制等問題均具有十分重要的意義。這是因為莫高窟大部分壁畫病害均與水分的參與有關，尤其是鹽類病害。莫高窟地仗層中最為普遍存在的鹽分種類為NaCl與Na2SO4，水鹽相互作用造成鹽分在地仗層土體孔隙中遷移并富集，形成例如酥堿、皰疹、鹽霜等鹽類病害(郭青林， 2009)，對壁畫造成無法逆轉的破壞。此外，地仗層土體中吸附水及吸力特征也是地仗層與崖體圍巖中水汽運移過程研究的基礎(張娜等， 2017; 何隴霞等， 2018)。

環境濕度影響下，地仗層所吸附的水分一般以結合水的形式存在于土體孔隙中(蘇伯民， 2010)。土體中結合水分為強結合水與弱結合水：強結合水具有固體的性質，沒有溶解能力，也不能自由地從一個土顆粒遷移到另一個土顆粒上； 弱結合水與強結合水相比與土顆粒的距離較遠，所以水的活性也有所提高，一般具有溶解能力，也可以在土顆粒表面遷移(唐大雄等， 1999)。因此，地仗層中強結合水可認為是土體顆粒的一部分，幾乎對土體孔隙中水汽運移、壁畫病害等沒有影響。然而地仗層中的弱結合水可能參與水汽運移、水鹽運移等過程，并且可能影響壁畫病害的產生與發展。因此對地仗層所吸附的水分按照不同特征進行劃分具有重要意義。現有的研究成果主要集中在對地仗層土體吸附水汽過程特征的總結(閆玲等， 2008； Zhang et al.， 2012； 趙歡等， 2018)，還未對地仗層所吸附水分的特征進行深入闡述。

對于地仗層土體吸力變化特征的研究，趙天宇等(2011)利用壓力板儀測試了莫高窟地仗土的土水特征曲線。該方法測出的土水特征曲線會引入殘余含水量的概念(戚國慶等， 2004)，在土體含水率小于殘余含水率時，由于壓力板與被測試土體之間連續性較差，將導致得到的高吸力段吸力與土體含水量之間的關系與實際有一定誤差(Campbell， 1988)。莫高窟地仗層在沒有液態水影響時，其中的含水率基本均小于殘余含水率。因此高吸力下較干燥地仗層中吸力特征還有待深入研究。高吸力下土體吸力來自于多個方面，并且不同吸力的作用機制與影響因素不同，由于范德華力或靜電力產生的吸力與土顆粒表面性質有關，而由于毛細作用產生的吸力與土體孔隙分布特征有關(Or et al.， 1999)。關于多孔材料高吸力下土水特征的研究，Philip(1977)改進了Young-Laplace方程，使方程增加了吸附項，同時考慮吸附與毛細凝結過程； 隨后Or et al.(1999)同時考慮范德華力與毛細凝聚共同影響，并且利用統計的方法，得到多孔材料內含水量與吸力之間的關系； 馬田田等(2015)利用公式表達土體在低含水率狀態下分子間吸附力，其中包括非極性的范德華力與極性的水合結構力，同時還認為土體中鹽分的存在對基質吸力的影響很小； 黃偉等(2018)測試了3種蒙脫土在高吸力下的土水特征曲線，推導了黏土在極高吸力下由于層間陽離子水合作用影響的微觀持水模型。

本文首先應用蒸汽吸附的方法，測試了莫高窟不同脫鹽地仗層在高吸力段內土體基質吸力與含水率之間的關系，探討了地仗層土體吸濕過程中范德華力與毛細凝聚作用分別貢獻的吸力大小，為確定地仗層土體吸濕過程中主要吸力來源及吸濕過程主要影響因素提供依據； 隨后利用熱重分析方法測試地仗層土體中在基質吸力作用下所吸附水分的特征； 最后結合所得到的結果進一步探討含有不同含量NaCl地仗層在吸濕過程中的吸力變化特征。結論可為壁畫病害以及地仗層中水汽運移研究提供理論支持。

1 試樣制作及試驗方法

1.1 地仗層試樣制作

莫高窟窟前大泉河河道內顆粒較細的沉積土也被稱為澄板土，是制作莫高窟地仗層最主要的原料。大泉河是位于極干旱地區的內陸河，其徑流量受到環境的影響較大。澄板土是大泉河河道內由于洪水或積水而淤積在河道表面的土，由于河流的搬運作用，顆粒較細的土沉積在表面，當河道內徑流量減小，河道土體干燥后表層顆粒較細的土即為澄板土(張明泉等， 1995)。

澄板土中90%以上的顆粒粒徑小于0.05mm，其中大部分土顆粒粒徑在0.005～0.05mm這一范圍內(表 1)。澄板土顆粒的比重大約為2.72，其液限與塑限分別為38.9%與25.3%。雖然澄板土顆粒較細，但其中黏土礦物含量并不是很高(表 2)，這與敦煌地區干旱的氣候環境有關，土體中大部分是由于物理風化產生的原生礦物(張明泉等， 1995； 崔強等， 2018)。

表 1 澄板土顆粒粒徑分析結果Table 1 Particle size analysis results of Dengban soil

表 2 澄板土礦物成分Table 2 Mineral component of Dengban soil

李最雄等(2005)通過測試洞窟中地仗層樣品粒徑分布發現，地仗層中除了澄板土以外，還有顆粒較粗的砂，但是不同洞窟地仗層中澄板土與砂的比例不同，因此按照不同的澄板土與砂的比例制作4組地仗層試樣。由于莫高窟地仗層中粗砂(粒徑大于0.5mm)含量極少，試樣中加入的砂為中砂(0.25～0.5mm)與細砂(0.075～0.25mm)各半的混合物，此外試樣中加入的澄板土均為粒徑小于0.075mm的澄板土顆粒(表 3)。4組地仗層試樣中土顆粒級配不同，無法達到相同的干密度(呂璽琳等， 2019)，但是土體干密度對高吸力段內土水特征曲線基本沒有影響(孫德安等， 2014)，因此可以忽略不同地仗層試樣干密度之間的差別。

表 3 地仗層試樣編號及配比Table 3 Sample number and proportion of plaster samples

試樣的具體制作過程為：首先對制作試樣所使用的澄板土與砂進行脫鹽處理，脫鹽的目的在于控制試樣中鹽分種類及含量。將脫鹽處理后的澄板土、中砂、細砂按表 3所示的配比混合均勻后，加入質量為固體質量23%的蒸餾水。對于含有NaCl的試樣，土砂比與試樣DZ2相同，NaCl含量為NaCl與固體土顆粒質量的比，將NaCl溶解于水中再與澄板土、中砂以及細砂混合。將混合均勻后的泥用涂抹的方式填入圓形模具中，并將表面涂抹平整，并用震動的方法排出試樣內多余空氣。隨后將試樣放置在240℃的烘箱中24h進行干燥，設置這一溫度的原因是為了得到各試樣完全干燥條件下的干重，認為干燥后的試樣含水率為0。待試樣干燥后脫去模具即得到地仗層試樣。各地仗層試樣均為圓形試樣，高約1cm，直徑約7cm，干密度約為1.7～1.8g·cm-3(圖 1)。地仗層試樣的制作方法依據莫高窟地仗層傳統制作工藝，此外試樣制作過程中初始含水率控制為23%的原因是，這一含水率狀態下的澄板土與砂的混合物最適宜涂抹于洞窟崖體表面，因此實際洞窟中的地仗層在制作過程中其含水率也可能是在這一取值上下。

圖 1 地仗層試樣Fig. 1 The earthen plaster samples

1.2 蒸汽吸附試驗

蒸汽吸附法可以測試土體在較高吸力條件下土水特征曲線(Tang et al.， 2005)，其具體方法是設置不同的相對濕度條件，將完全干燥的土樣放置在不同的相對濕度環境中進行吸濕，待土樣達到吸濕平衡后，測試土樣的含水率。利用設置好的環境濕度可計算得到對應的吸力，即在某一環境濕度下土體中總吸力：

(1)

式中：S為土體中總吸力(MPa)；R為氣體狀態常數(8.314J·(mol·K)-1)；T為熱力學溫度(K)；vw為水的偏摩爾體積(m3·(mol)-1)；RH為環境相對濕度(%)。

本次試驗共設置10個不同的相對濕度條件(表 4)，利用干燥器中放入飽和鹽溶液的方法得到穩定的相對濕度(圖 2)，并且試驗過程中溫度始終保持20℃。將完全干燥的試樣放置在不同的相對濕度環境中進行吸濕并不斷測試試樣的質量變化，待試樣在72h內質量變化小于0.001g時，即可認為在這一濕度下已達到吸濕平衡，并測試試樣的含水率。濕度越高，試樣達到吸濕平衡所需要的時間也越長。

圖 2 蒸汽吸附試驗示意圖Fig. 2 Schematic diagram of vapor adsorption test

圖 3 地仗層試樣中不同吸力Fig. 3 Different types of suction in plaster samples a. DZ1； b. DZ2； c. DZ3； d. DZ4

表 4 飽和鹽溶液表面相對濕度及對應吸力(20 ℃)Table 4 Relative humidity and suction on the surface of the saturated salt solution(20 ℃)

1.3 熱重分析

環境濕度影響下，地仗層中吸附的水分一般以結合水的形式存在。土體中結合水含量及界限的測試方法有很多，包括吸附法、熱重法、離子交換法、光譜法、比重瓶法等等，最初這些方法均應用于測試黏土中結合水含量及界限(王平全， 2001； 袁建濱， 2012)。王鐵行等(2014)、張中華等(2016)利用等溫吸附法與熱重分析法研究黃土的結合水含量及其界限，證明這兩種方法除了適用于黏土以外，對比表面積更小的土顆粒也同樣適用。其中等溫吸附法通過確定土體等溫吸附曲線中拐點對應的含水率的方法來確定不同種類結合水的界限含水率； 熱重分析是通過測試溫度升高過程中樣品質量損失量的方法確定樣品中的界限含水率。因為在一定的溫度范圍內(小于300℃)，升溫過程中樣品質量的減少主要是其中水分的損失。隨著溫度升高，土體中的非結合水、弱結合水、強結合水相繼被蒸發。根據熱重分析過程中溫度及其對應的樣品質量損失量繪制T-G曲線(溫度-質量變化曲線)(Nagata et al.， 1974)，不同性質水分蒸發過程中在T-G曲線上有相對應的階梯，即可表征不同性質水分的含水量界限。由于地仗層土體的吸附能力不是很強，等溫吸附法得到的等溫吸附曲線中的拐點不明顯，該方法無法準確對地仗層所吸附的水分按照不同性質進行界限劃分，因此本文使用熱重分析的方法探討地仗層中吸附水特征。

熱重分析試驗中首先對在相對濕度100%條件下吸濕平衡的DZ1、DZ2、DZ3 3種試樣進行熱重分析，探討土體中基質吸力影響下不同地仗層試樣的吸附水特征。試樣DZ4未進行熱重分析的原因是該試樣土砂比最小，土體中吸附水含量較少，測試結果不準確。此外還對分別在相對濕度55%、75%、100%條件下吸濕平衡的試樣DZ2(土砂比3︰2)進行熱重分析，用來對比相同試樣在不同環境濕度影響下土體中吸附水特征。熱重分析采用德國生產的耐馳 STA449F3 同步熱分析儀進行熱重分析，測試溫度為25～350℃，升溫速率為10℃·min-1。

2 試驗結果

2.1 濕度影響下地仗層基質吸力

土體中基質吸力包括由分子間作用力產生的吸力以及由土體孔隙毛細作用產生的毛細吸力，其中分子間作用力包括范德華力、土體表面帶電電荷導致的靜電力等。通常土體中含水率較大時，由分子間作用力產生的吸力可以被忽略，毛細吸力等于基質吸力(石振明等， 2018)。然而在環境濕度影響下的水汽吸附過程中，通常土體含水率較小，分子間作用力可能成為土體中吸力的主要來源。水汽吸附過程中，土體中的毛細作用主要是指孔隙中發生的毛細凝聚作用。雖然毛細凝聚作用也是由于土體孔隙毛細現象引起，所產生的吸力與通常非飽和土力學中所述的毛細吸力意義相同，但是毛細凝聚作用僅發生在更小的孔隙中(土體中毛細凝聚作用一般發生在孔徑為0.1～200nm孔隙中)，并且毛細凝聚作用產生的吸力也更大(李同錄等， 2019)。

在環境濕度影響下土體吸附水汽的過程中，首先發生由分子間作用力主導的吸附過程，這一過程是水分子在土顆粒表面連續的逐層吸附，與土顆粒自身性質有關。隨著環境濕度升高，土體含水率增加，土體孔隙的毛細凝聚效應逐漸明顯，由毛細凝聚作用主導的吸附是孔隙中水分由氣相向液相的轉化過程，與土體孔隙特征有關。

土體吸附氣體時由于范德華力產生的吸力可以由Iwamatsu et al.(1996)提出的表示范德華力的公式來進行描述：

(2)

式中：Sv為土體中由于范德華力產生的吸力；A為土-水相互作用的Hamaker常數，對于土體來說，A的取值范圍在10-19～10-20之間(Bergstr?m， 1997； 郭霞等， 2016)，Tuller認為大部分土體中Hamaker常數的有效取值約6×10-20J(Tuller et al.， 2005)；h為吸附水膜厚度。其中吸附水膜厚度h可以通過土顆粒的比表面積進行估算，即：

(3)

式中：w為土體含水率(%)；sa為土顆粒比表面積(m2·g-1)；ρw為水的密度。因此可以將土體含水率與范德華力產生的吸力聯系起來，得到土體中范德華力影響下的土水特征曲線。澄板土以及不同土砂比地仗層土顆粒的比表面積可以通過氮氣吸附法測得，其結果如表 5所示。

表 5 澄板土以及地仗層試樣土顆粒比表面積Table 5 Surface area of Dengban soil and the plaster sample particles

對于由于土體中由表面電荷導致的靜電力產生的吸力，Grismer(1987)認為大部分土體可以忽略這一部分作用力，僅當土顆粒比表面積大于200m2·g-1時，這一類吸力作用才比較明顯。地仗層土顆粒比表面積遠遠小于200m2·g-1，因此地仗層在環境濕度影響下的水汽吸附過程中，土體中吸力可以表示為由于范德華力產生的吸力(Sv)與由毛細凝聚產生的吸力(Sm)的和，由毛細凝聚產生的吸力可以通過總吸力與范德華力之差計算得到，同時由于毛細凝聚產生的吸力也可以用Kelvin公式表示，即：

(4)

式中：Ts為表面張力；α為接觸角；rk為孔隙的Kelvin半徑。

根據不含鹽地仗層試樣的蒸汽吸附試驗結果與比表面積測試結果，可以得到地仗層在濕度影響下水汽吸附過程中不同吸力與土體含水率之間的關系(圖 3)，圖中同時繪制出毛細凝聚吸力占總吸力百分比變化曲線。可以發現，各試樣中不同吸力均隨著含水率的增加而減小。其中范德華吸力僅在含水率極低的情況下才比較明顯，地仗層土砂比越大，在相同含水率條件下產生的范德華吸力也越大，土砂比較大的地仗層中范德華吸力可以達到近100MPa。但是當含水率繼續增加時，范德華吸力迅速減小。在含水率較低時，由于范德華吸力比較明顯，毛細凝聚產生的吸力大約占總吸力的70%～85%，隨著含水率的增加，毛細凝聚產生的吸力占總吸力的90%以上。說明環境濕度影響下的水汽吸附過程初期范德華吸力是吸附水汽的主要驅動力之一，不可忽略，并且地仗層土砂比越大，這一吸力越明顯。但是隨著地仗層含水量的增加，水汽吸附的驅動力幾乎全部來自于毛細凝聚作用。

圖 4 不同土砂比地仗層試樣T-G曲線Fig. 4 T-G curves of plaster samples with different ratios of Dengban soil and sand a. DZ1； b. DZ2； c. DZ3

2.2 熱重分析試驗結果

T-G曲線(即以溫度為橫坐標，樣品質量變化為縱坐標作圖)可以用于表示熱重分析結果。圖 4所示為相對濕度100%下吸濕平衡的DZ1、DZ2、DZ3試樣的熱重分析結果，其中縱坐標為某一溫度下樣品質量與初始質量的百分比。可以發現T-G曲線中階梯變化不是非常明顯，這種情況下可以通過確定曲線拐點的方法找出試樣中不同種類水分的臨界點(謝剛等， 2013)。圖 4所示T-G曲線首先為凹曲線，隨后為凸曲線，最終又呈凹曲線并逐漸平緩，曲線可以被兩個拐點分為3個部分：第一個拐點對應的溫度較低，約31～33℃，這一拐點之前的曲線表征土體中極少量非結合水的蒸發。這一部分水分在較低的溫度條件下被完全蒸發，屬于普通液態水，可能是受重力影響的自由水，也可能是受到土體孔隙毛細作用影響的毛細水； 第二個拐點在89～91℃左右，此點則表示試樣中弱結合水被完全蒸發。隨著溫度繼續升高，試樣中的強結合水也不斷被蒸發，直到溫度達到220℃左右時，試樣中水分完全蒸發。

表 6所示為通過熱重分析結果計算得到的各試樣中的不同結合水含量及臨界含水率?？梢园l現，地仗層中大部分吸附水均以結合水的形式存在，并且弱結合水含量明顯高于強結合水。地仗層中的弱結合水含水率(弱結合水與強結合水間的界限含水率)對于壁畫保護來說具有重要意義，因為當含水率大于弱結合水含水率時，說明地仗層中開始出現可以被利用的水分，土體中的弱結合水具有自由移動以及溶解的能力，可能誘發或加速壁畫病害。由表 6還可以發現，弱結合水臨界含水率隨著地仗層中土砂比的增加而增大，說明土砂比較大的地仗層將在更高的含水率狀態下才可能出現弱結合水。但是弱結合水總含量也隨著土砂比的增加而增大，說明雖然土砂比較大的地仗層中將在更高的含水率條件下才可能出現弱結合水，但是其中可以被利用的弱結合水可能會更多。

表 6 不同土砂比地仗層試樣熱失重分析結果Table 6 Results of thermogravimetric analysis in plaster samples with different ratios of Dengban soil and sand

分別在3種相對濕度下吸濕平衡的試樣DZ2，其熱重分析結果如圖 5所示，在相對濕度75%與55%下吸濕飽和的試樣DZ2與在相對濕度100%下吸濕飽和的試樣DZ2相比，T-G曲線中僅在溫度大約90℃左右出現一個拐點，說明試樣中所吸附的水分含量較少，僅有強結合水與弱結合水，沒有出現非結合水，進一步說明地仗層試樣中的吸附水大部分以結合水的形式存在，并且僅在環境濕度極高時地仗層中才可能出現極少量的非結合水。通過熱重分析計算結果(表 7)得到不同相對濕度下吸濕平衡的試樣DZ2具有相近的弱結合水臨界含水率，說明該方法基本可以對地仗層中吸附水按照不同性質進行劃分。

圖 5 不同濕度下吸濕平衡試樣DZ2的T-G曲線Fig. 5 T-G curves of plaster samples DZ2 saturated at different relative humidity a. 平衡濕度100%； b. 平衡濕度75%； c. 平衡濕度55%

表 7 不同濕度下飽和的地仗層試樣DZ2熱失重分析結果Table 7 Thermogravimetric analysis results of plaster samples DZ2 saturated at different relative humidity

2.3 濕度影響下地仗層滲透吸力

圖 6所示為試樣DZ2以及含有不同含量NaCl試樣C-1、C-2、C-3利用蒸汽吸附法測得的試樣中總吸力土水特征曲線。4種試樣土砂比相同，僅含鹽量不同，由于鹽分對基質吸力幾乎沒有影響(孫德安等， 2013)，可以認為4種試樣具有相同的基質吸力，不含鹽試樣與含鹽試樣土水特征曲線的差值即為含鹽試樣中滲透吸力的大小?？梢园l現在較高吸力下各試樣的土水特征曲線基本相同，說明此時含鹽試樣中幾乎不存在滲透吸力，當吸力條件小于相對濕度75%環境下對應的吸力值(約38.93MPa)時，各試樣土水特征曲線開始出現明顯差別，含鹽量越大的試樣在相同含水率條件下對應的吸力也越大。這是因為NaCl在20℃條件下潮解臨界濕度約75%，試樣中的NaCl僅在相對濕度大于或等于75%的條件下才有可能潮解形成飽和溶液(Li et al.， 2019)，繼而使土體內產生滲透吸力，并且吸力小于38.93MPa時，含鹽試樣中由于范德華力與毛細凝聚作用產生的吸力已經很小，滲透吸力成為土體吸力最主要的來源。

圖 6 不同含量NaCl地仗層試樣總吸力-含水率曲線Fig. 6 The total suction-water content curve of plaster samples with different contents of NaCl

3 討 論

對于不含鹽的試樣，熱重分析得到了不同地仗層中的弱結合水臨界含水率，因此可以計算得到土體在弱結合水臨界含水率條件下的不同吸力大小(表 8)，可以發現，不同地仗層中弱結合水臨界含水率對應的不同吸力中，其中范德華吸力大約占總吸力的5%左右，范德華吸力對總吸力的影響已經不再明顯。因此可以認為，地仗層含水率小于弱結合水臨界含水率時，在水汽吸附過程中范德華吸力的作用依然比較明顯，但當地仗層中含水率大于弱結合水臨界含水率時，土體中吸力主要來自于毛細凝聚作用。

表 8 地仗層試樣弱結合水臨界含水率對應的 相對濕度與吸力值Table 8 The corresponding values of relative humidity and suction for critical moisture content of weakly bound water in plaster samples

若地仗層的弱結合水臨界含水率為w1，該含水率對應的空氣相對濕度為RH1，那么w1與RH1可以作為地仗層土體孔隙中開始出現可以被利用的水分的臨界含水率與臨界濕度，并且w1與RH1的取值與地仗層土體中澄板土含量有關。

莫高窟現存有壁畫的洞窟達四百多個，根據洞窟內地仗層的實際情況確定的該洞窟地仗層內開始出現弱結合水時對應的環境濕度，可用于指導洞窟環境調控以及游客流量控制等預防性保護措施，更大程度地防止壁畫鹽害的發展。

此外，當地仗層中含水率小于弱結合水臨界含水率時(w1)，其中吸力來自于范德華力與毛細凝聚的共同作用，地仗層土顆粒自身性質與土體孔隙特征均是影響吸力大小的重要因素。而當地仗層中含水率大于弱結合水臨界含水率時(w1)，地仗層土體的孔隙特征是影響吸力變化的主要因素。由于強結合水具有固體的性質，可以被認為是土顆粒的一部分，強結合水水膜將占據一部分孔隙內的孔隙半徑，使導致毛細凝聚的孔隙半徑是實際孔隙半徑(r)與強結合水水膜厚度之差。若弱結合水臨界含水率w1對應的土顆粒表面水膜厚度為h1(即強結合水形成的水膜厚度)，則環境濕度影響下地仗層土體中總吸力的表達公式可以進一步改寫為：

當w

(5)

當w>w1時，

(6)

對于含鹽地仗層來說，環境濕度影響下的吸濕過程中，當環境濕度小于地仗層中鹽分的潮解臨界濕度時(即吸力大于地仗層中鹽分潮解臨界濕度對應的吸力值)，鹽分對土體總吸力的影響很小，土體中幾乎不存在滲透吸力。而當環境濕度大于地仗層中潮解臨界濕度時，土體中的滲透吸力將成為土體中總吸力的主要部分。莫高窟地仗層中最普遍存在的兩種易溶鹽NaCl與Na2SO4，其中Na2SO4的潮解臨界濕度在室溫條件下均達到95%以上，在環境濕度影響下的吸濕過程中幾乎不會受到滲透吸力的影響； NaCl的潮解臨界濕度相對較低，因此在洞窟環境濕度較大的條件下，應重點考慮含有NaCl的地仗層中的滲透吸力。

4 結 論

通過對環境濕度影響下地仗層中吸附水特征以及吸力變化特征的分析與探討，得到以下主要結論：

(1)莫高窟地仗層土體中的吸力大小隨著其中含水率的增大而減小，濕度影響下地仗層水汽吸附過程中的吸力主要來自于范德華力與毛細凝聚作用。

(2)地仗層土體中由范德華力與毛細凝聚作用所吸附的水分大部分以結合水的形式存在于土體孔隙中，并且其中大部分結合水為弱結合水，因此這一部分水分可以被用于參與水鹽反應，誘發或加重壁畫鹽害。不同地仗層中的弱結合水臨界含水率以及弱結合水總量均隨著地仗層中土砂比增加而增大。

(3)地仗層含水率小于弱結合水含水率時，其中吸力可以認為是來自于范德華力與毛細凝聚的共同作用。當地仗層中含水率大于弱結合水含水率時，范德華力產生的吸力可以被忽略，其中總吸力約等于毛細凝聚產生的吸力。