FE荧光探针在线检测土质文物中水分形态及其挥发行为

土质文物众多病害都与水有关,土体多孔结构中自由水和吸附水对其病害的影响存在显著差异性,在水分挥发过程中,自由水易挥发,有利于土体保持干燥,而吸附水挥发缓慢,是盐害和酥粉等病害的主要成因。因此,检测土质文物中不同形态水的挥发行为对预防土质文物盐害及酥粉病害具有积极作用。由于自由水和吸附水存在化学上的极性差异,而FE荧光双发射峰对极性和氢键具有敏感性,可用于指示极性差异。以FE作为荧光探针,将其引入到不同吸潮时间的土质文物模拟样中,通过在线检测样品水分挥发过程中表面荧光光谱,根据荧光特征峰位置及变化,揭示土样中水分的存在形态及自由水和吸附水挥发行为特征;通过在线检测加固土样荧光光谱变化,揭示加固对土样中不同形态水挥发行为的影响规律。FE荧光探针拥有波段可分的双发射波峰,激发波长在可见光区,避开了土壤具有强吸收的紫外区,以FE为荧光探针识别土体中水分的不同形态具有灵敏性。同时,在识别不同形态水基础上,可在线检测土体中不同形态水分挥发演变过程,这对评价土质文物加固后文物透气性能具有指导价值。

土质文物盐害中硫酸钠的研究--从微观到宏观

土遗址和壁画遗址可溶盐主要为NaCl和Na_2SO_4,其中Na_2SO_4是破坏程度最严重的盐。一般认为,硫酸钠只有在温度、湿度变化时才不稳定,才发生得失结晶水引起的晶型及体积变化。为研究土质文物盐害的形成机制及内在原因,调研了全国几处典型土遗址和壁画遗址的盐害状况并取样分析。分析发现:1)土遗址和壁画遗址中硫酸钠的形貌、结构是动态变化的(无论在任何极端干燥环境甚至真空条件下);2)环境因素如温度、相对湿度的变化只是加剧上述变化进程。硫酸钠结晶析出时,其体积膨胀约4倍。这一系列的过程,深刻影响着硫酸钠的相变复杂性和对依存土质文物本体的破坏性。本工作从微观和宏观两个层面探讨了这些发现,并通过不同盐分(不同浓度氯化钠、硫酸钠)侵蚀破坏模拟试验、不同温度条件下模拟试验、不同相对湿度下模拟试验,从宏观层面印证了上述微观机制在土遗址和壁画遗址本体的外在表现。本研究发现土遗址中硫酸钠的形貌、结构是动态变化的,该工作弥补了以往研究和认识上的局限。本研究将对阻止、延缓及预测土质文物盐害的发生、发展提供科学参考。

土质文物的风蚀模型

在西北地区寒旱环境条件下,受干湿、冻融、风蚀等自然条件以及人为因素的影响,土质文物逐渐剥落坍塌。在众多破坏因素中,风蚀危害是最严重的因素之一。土质文物本体具有一定的内聚力,表现出不同于散体土壤颗粒的风蚀行为。通过对土壤风蚀影响因素和已有风蚀预测模型的分析,提出了适用于土质文物的风蚀预测模型,研究将土质文物风蚀影响因素分为营力子系统(风力)和响应子系统(粒度、含水率、强度)。通过对土质文物风蚀营力子系统和响应子系统的分析,土质文物的风蚀模型应包括风速(V)、土体含水率(W)、粒径(d)和土体强度(F)四个影响因子,根据分析,其函数形式为E=f(eA0V,W1/2,d-2,F-1)。土质文物不同于土壤,在不被植被覆盖、灌溉翻耕的情况下,能够比较客观地反映土质文物受到风蚀的情况。且在对前人风蚀实验数据总结的基础上,提出了风蚀量与风速、风蚀时间、风蚀面积之间的定量关系,可以用于预报一次风蚀事件的风蚀量。

“中英美岩土质文物保护交流会”在敦煌成功召开

2023年9月16至19日,由中国岩石力学与工程学会古遗址保护与加固工程专业委员会承办的“中英美岩土质文物保护国际交流会”在敦煌研究院多场耦合环境模拟实验室成功召开。英国牛津大学、美国盖蒂保护研究所、英国罗斯福实验室、兰州大学、西北大学、浙江大学、敦煌研究院、甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司、敦煌研究院文物保护技术研究中心的近40余名专家参加了会议。会议旨在加深敦煌研究院与牛津大学的国际合作,开拓岩土质文物国际合作研究视野。

土建筑遗址干湿耐久性研究

选择新疆交河故城原状生土试样和重塑土试样进行了干湿循环试验,之后进行了风洞试验和强度试验,研究土建筑的干湿耐久性。试验结果表明,在试样原始含水率比较低的情况下,试样首先经历了一个质量增大的过程,3个干湿循环后,试样的质量变化进入一个相对稳定的范围。随着增湿与脱湿过程中伴随的水分质量的变化,试样质量的整体趋势是减小的。随干湿循环次数增大,原状试样的强度减小,风蚀量增大,即耐久性持续变差。相反,随干湿循环次数增大,重塑样的强度反而增大,风蚀量减小,即耐久性有所提高。重塑样由于重塑过程中其微观结构受到破坏,强度弱化。干湿循环在某种意义上对重塑土起到"陈化作用",愈合损伤的微结构。初期重塑土强度随干湿循环次数的增加逐渐增强,而后强度逐渐衰减抗风蚀能力减弱。

偏高岭土复合加固剂改性生土材料的结构及性能研究

从微细观的角度深入认识土体加固时内部的胶结质量和强度问题,提出采用偏高岭土复合加固剂加固生土材料.通过室内力学特性试验、浸水试验、冻融试验检验其适用性,利用XRD和SEM进行了微细观机理分析.结果表明,偏高岭土复合加固剂能明显提升土体的胶结强度.加固后生土材料的强度、耐水性、耐冻融性明显增强.进一步深化了对生土材料固化机理和胶结强度增长机理的认识.

基于生土材料微细观结构性能的加固关键技术研究

西北地区赋存的生土建筑与遗址病害严重,急需进行加固。从微细观的角度深入认识土体加固时内部的胶结质量和强度问题,对构成嘉峪关关城及哈密烽燧的土样从不同土体结构层次上分析了土块的工程性质及土体微粒的组成和微细结构性能,探索了生土材料的强度失效机理。在此基础上,提出利用纳米SiO_2溶液及与其配合使用的无机粉状复合加固剂加固生土建筑的技术。并通过现场试验确定加固土体的工艺措施及相关材料性能指标要求,使得从材料设计到加固措施实施等问题得以相对规范化。

古代岩土质砌筑文物胶凝材料劣化分析

砌筑胶凝材料的耐久性对于砌体结构的稳定性有重要作用。对取自两处典型岩土质砌筑文物建筑海龙屯飞龙关、飞凤关遗址和马尔康直波雕群的胶凝材料样品性能进行了测定,表明原砌筑胶凝材料基本为就地取材,采用传统工艺及传统方法制作而成。由于未经改性,传统胶凝材料在成分及结构方面的缺陷,也成为后期劣化的源头。微结构是影响胶凝材料结构强度的重要因素。

含氟聚合物应用于土质类文物的加固保护

本文介绍了含氟聚合物化学加固保护土质类文物的实验室研究工作。作者以陕西境内典型的半坡遗址土质重塑后的模拟样块为加固保护对象,分别进行了胶化物形成、孔隙度、持水量、抗水分解、抗压强度、抗钻强度、颜色测定等实验以及耐水性、耐盐腐蚀、耐冻融等耐老化实验。评估结果表明,含氟聚合物在土质类文物的加固保护中具有优越的性能。