多場(chǎng)耦合下巖土質(zhì)文物風(fēng)化機(jī)理試驗(yàn)裝置研究

王旭東 郭青林 范宇權(quán) 楊善龍 張鵬

內(nèi)容摘要：巖土質(zhì)文物的破壞往往是多因素共同作用的結(jié)果，開展多場(chǎng)耦合下的巖土質(zhì)文物病害機(jī)理研究對(duì)于遺址的保護(hù)具有非常重要的意義。多場(chǎng)耦合條件下的環(huán)境模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，具有時(shí)間可控性、條件重復(fù)性和數(shù)據(jù)精確性等突出優(yōu)點(diǎn)。本研究基于其他行業(yè)的研究成果，首次研發(fā)了基于多場(chǎng)耦合下的石窟圍巖風(fēng)化機(jī)理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，通過(guò)對(duì)巖土質(zhì)文物模擬環(huán)境和測(cè)試技術(shù)的研究，確定了多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)室的布局、功能、技術(shù)性能指標(biāo)，將為敦煌石窟圍巖風(fēng)化和壁畫鹽害機(jī)理研究乃至全國(guó)巖土質(zhì)文物保護(hù)研究提供高技術(shù)環(huán)境仿真試驗(yàn)平臺(tái)，提升巖土質(zhì)文物風(fēng)化機(jī)理和保護(hù)材料性能評(píng)價(jià)的研究水平。

關(guān)鍵詞：石窟;圍巖風(fēng)化;多場(chǎng)耦合裝置;病害機(jī)理

中圖分類號(hào)：K854.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1000-4106（2015）05-0103-08

Multi-Field Coupling Equipment for Research on the Weathering Mechanism of Rock and Earthen Relics

WANG Xudong1，2，3 GUO Qinglin1，2，3 FAN Yuquan1，2，3

YANG Shanlong1，2，3 ZHANG Peng4

（1. Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200;

2. National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites，

Dunhuang， Gansu 736200;

3. Key Laboratory of Gansu Province for the Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites， Dunhuang， Gansu 736200;

4. Shanghai Satake Cool-Heat & Control Technique Co.， Ltd， Shanghai 200120）

Abstract： Most damage to rock and earthen relics is caused by the interaction of multiple environmental parameters， making the study of their deterioration mechanisms under multi-field coupling conditions very important. Artificial environment simulating techniques under multi-field coupling conditions have been extensively applied to scientific research and technical tests because of advantages such as time controllability， parameter repeatability， and data accuracy. Based on the multi-field coupling research in other fields， engineering equipment has been developed to study the weathering mechanism of rocks surrounding caves for the first time. By studying simulated environments and testing techniques for rock and earthen relics， the design， function and technical specifications of the equipment have been confirmed. This will provide a high-tech environment simulation platform for studying the weathering mechanism of the surrounding rocks and salt disruption of the wall paintings and evaluation materials of the Dunhuang caves and other rock and earthen relics in China， as well as promote research on the weathering mechanisms and evaluation materials of rock and earthen relics.

Keywords： caves; surrounding rock weathering; multi-field coupling equipment; deterioration mechanism

1 概 述

利用單一因素的環(huán)境模擬試驗(yàn)，如溫度、濕度、沙塵、鹽霧、雨、風(fēng)、輻射等環(huán)境模擬試驗(yàn)，易于找出單一環(huán)境因素對(duì)巖土質(zhì)文物的影響規(guī)律[1-6]。但隨著巖土質(zhì)文物保護(hù)研究和工程實(shí)踐的深入，人們逐步認(rèn)識(shí)到導(dǎo)致巖土質(zhì)文物的破壞與劣化往往都是多因素共同作用的結(jié)果，因此無(wú)法準(zhǔn)確地靠單一因素來(lái)解釋和模擬再現(xiàn)病害發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程，甚至在機(jī)理研究過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)前后矛盾的現(xiàn)象。這就需要我們將多個(gè)因子耦合來(lái)模擬和揭示其病害產(chǎn)生和破壞機(jī)理。目前，在巖土質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域的一些病害模擬和病害機(jī)理研究多在溫濕度程控箱里開展，受箱內(nèi)體積的限制，樣品的尺寸均比較小，無(wú)法真實(shí)全面地反映環(huán)境對(duì)巖土質(zhì)文物的作用。而環(huán)境模擬技術(shù)和其他領(lǐng)域的多場(chǎng)耦合模擬研究的發(fā)展，為我們提供了解決問(wèn)題的思路。巖土質(zhì)文物保護(hù)多場(chǎng)耦合試驗(yàn)裝置正是基于以上背景而提出的。

環(huán)境模擬技術(shù)是各種自然環(huán)境的人工再現(xiàn)技術(shù)，是一門新的綜合性工程技術(shù)。環(huán)境模擬技術(shù)通過(guò)吸取制冷、真空、空調(diào)、加溫、自動(dòng)控制和計(jì)量等領(lǐng)域的相關(guān)理論和方法，形成了獨(dú)立的技術(shù)理論體系。環(huán)境模擬技術(shù)于20世紀(jì)50年代開始于美國(guó)[7]，主要用于人工再現(xiàn)多種自然條件，對(duì)生物科學(xué)的研究起到了極大推動(dòng)作用。該技術(shù)隨后廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是在軍事工業(yè)領(lǐng)域得到了極大發(fā)展，如歐洲車輛研究中心的維也納國(guó)際車輛實(shí)驗(yàn)站、美國(guó)空軍麥金利氣候?qū)嶒?yàn)室等[8-9]，最具代表性的是美國(guó)生物圈2號(hào)工程，試圖模擬維持地球生命的自然環(huán)境，為人類探索太空，研究生命和環(huán)境的持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)[10]。自20世紀(jì)60年代起，中國(guó)也開始了環(huán)境模擬技術(shù)方面的研究，先后在生物科學(xué)、軍工設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等的研究和制造工作中應(yīng)用了環(huán)境模擬技術(shù)，自主生產(chǎn)了各類不同規(guī)模的環(huán)境模擬設(shè)備，建成了一些具有自己特色的環(huán)模設(shè)備[11-18]。不同的模擬環(huán)境需要不同的設(shè)備體系，目前主要的類型有地面環(huán)境模擬設(shè)備、空中環(huán)境模擬設(shè)備和空間環(huán)境模擬設(shè)備。環(huán)境模擬的發(fā)展方向是研發(fā)整機(jī)多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬設(shè)備和進(jìn)行多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬試驗(yàn)及人機(jī)系統(tǒng)綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)[19]。綜合環(huán)境模擬是指兩個(gè)以上環(huán)境參數(shù)同時(shí)作用的模擬試驗(yàn)，可以真實(shí)地模擬試驗(yàn)對(duì)象實(shí)際經(jīng)受、同時(shí)發(fā)生的環(huán)境，產(chǎn)生綜合的環(huán)境效應(yīng)，增加試驗(yàn)的真實(shí)性和可靠性。該技術(shù)在科學(xué)研究中具有自然界無(wú)法實(shí)現(xiàn)的時(shí)間可控性、條件重復(fù)性和數(shù)據(jù)精確性等突出優(yōu)點(diǎn)。

在巖土工程學(xué)科領(lǐng)域，有關(guān)多場(chǎng)耦合的研究主要集中在以下幾點(diǎn)：探討巖土體滲流——應(yīng)力——溫度——溶質(zhì)運(yùn)移兩兩之間相互作用及巖土體多相介質(zhì)多場(chǎng)耦合作用非線性動(dòng)力學(xué)模型 [20-21];論述高放廢物深地質(zhì)處置多場(chǎng)耦合與核素遷移問(wèn)題的特點(diǎn)[22];提出了工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模的總體研究框架和流程，開展了地質(zhì)體多場(chǎng)耦合模型在三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)的研究[23]。針對(duì)介質(zhì)的滲流、溫度、應(yīng)力和化學(xué)耦合作用機(jī)理已經(jīng)有了深入的研究，多場(chǎng)耦合技術(shù)在巖土介質(zhì)綜合分析和研究中發(fā)揮了重要的作用，廣泛應(yīng)用于石油開采、頁(yè)巖氣開發(fā)、凍土基礎(chǔ)穩(wěn)定性、地?zé)衢_發(fā)、地下工程分析等領(lǐng)域。

多場(chǎng)耦合條件下的環(huán)境模擬技術(shù)是綜合多種自然環(huán)境的人工再現(xiàn)試驗(yàn)新技術(shù)，已經(jīng)在解決環(huán)境模擬和試驗(yàn)理論及實(shí)踐中形成了獨(dú)立的技術(shù)理論體系，具有時(shí)間可控性、條件重復(fù)性和數(shù)據(jù)精確性等突出優(yōu)點(diǎn)。

2 多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的目的和意義

以敦煌莫高窟為代表的敦煌石窟群壁畫和彩塑，具有極高的歷史、藝術(shù)及科學(xué)價(jià)值。長(zhǎng)期受自然和人為因素的影響，這些珍貴的歷史文化遺產(chǎn)正遭受著諸多病害的侵襲，不斷地被破壞乃至最終消失。作為文物本體壁畫的鹽害問(wèn)題以及載體砂礫巖體的風(fēng)化問(wèn)題，成為目前威脅莫高窟長(zhǎng)久保存的最直接的兩大因素。砂礫巖體的不斷風(fēng)化（圖1—2），直接威脅到石窟內(nèi)文物的安全，而與水鹽運(yùn)移有關(guān)的壁畫鹽害對(duì)壁畫的破壞最為嚴(yán)重，被稱為壁畫的“癌癥”，要得到較好的修復(fù)，難度極大（圖3—4）。在我國(guó)西北干旱區(qū)露天保存的土遺址同樣也面臨著風(fēng)化和鹽害導(dǎo)致的破壞（圖5—6）。

壁畫鹽害和石窟圍巖風(fēng)化本質(zhì)上屬于一個(gè)正在進(jìn)行的地球化學(xué)過(guò)程。石窟圍巖的風(fēng)化問(wèn)題，主要是砂礫巖體中的膠結(jié)物在溫度和水鹽作用下導(dǎo)致的膠結(jié)作用失效[24-25]。近年來(lái)，對(duì)于石窟圍巖的加固技術(shù)和加固材料的研究均取得了較大進(jìn)展，但對(duì)石窟圍巖風(fēng)化與環(huán)境因子方面的研究尚不夠深入，對(duì)于保護(hù)材料和加固方法的長(zhǎng)期效果無(wú)法進(jìn)行精確評(píng)估。室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究顯示，當(dāng)達(dá)到一定相對(duì)濕度時(shí)，存在于壁畫內(nèi)的鹽分就會(huì)發(fā)生潮解，向表面運(yùn)移和富集，誘發(fā)壁畫病害的產(chǎn)生[26-28]。壁畫支撐體和地仗內(nèi)的可溶鹽在水或水汽的參與下，向壁畫表部運(yùn)移而導(dǎo)致壁畫產(chǎn)生病害。從20世紀(jì)80年代末開始，敦煌研究院先后與蘭州大學(xué)、美國(guó)蓋蒂保護(hù)研究所和日本東京文化財(cái)研究所合作開展了大量有關(guān)莫高窟壁畫保護(hù)方面的研究，并在壁畫制作材料與工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、病害調(diào)查、病害機(jī)理研究及保護(hù)程序方面取得了諸多研究成果，但對(duì)導(dǎo)致壁畫病害的水汽和鹽分來(lái)源研究不夠深入，尤其對(duì)導(dǎo)致鹽分運(yùn)移的水汽來(lái)源的解釋存在較大爭(zhēng)議。針對(duì)鹽害，“十一五”國(guó)家支撐計(jì)劃課題“古代壁畫脫鹽關(guān)鍵技術(shù)研究”提出了可用于鹽害壁畫治理的脫鹽材料和方法，但只能對(duì)壁畫鹽害起到一定的緩解作用，并沒有從理論上解決鹽害產(chǎn)生的根本問(wèn)題。因此，研究敦煌壁畫鹽害發(fā)生、發(fā)展的地球化學(xué)過(guò)程，以及壁畫的物理化學(xué)作用機(jī)理，對(duì)科學(xué)解釋石窟鹽害病害機(jī)理，進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)和病害治理均有極為重要的意義。

由于文物保護(hù)的特殊要求，如只能采用無(wú)損或微損的方法開展試驗(yàn)研究，使得石窟圍巖風(fēng)化和壁畫鹽害機(jī)理的研究多針對(duì)單一影響因素展開，無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)間可控性、條件重復(fù)性和數(shù)據(jù)精確性，導(dǎo)致對(duì)病害機(jī)理的揭示深度不夠;同時(shí)大量取樣進(jìn)行室內(nèi)研究以及很多可用于巖土原位測(cè)試的儀器和測(cè)試方法均無(wú)法直接在石窟和壁畫保護(hù)中應(yīng)用，只能通過(guò)一些無(wú)損測(cè)試和模擬試驗(yàn)的方法來(lái)研究石窟圍巖風(fēng)化和壁畫鹽害的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。

在文物保護(hù)領(lǐng)域利用環(huán)境模擬技術(shù)建立多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)尚處于探索階段的創(chuàng)新性研究，包括環(huán)境模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、多種耦合環(huán)境的實(shí)現(xiàn)、加速試驗(yàn)與自然環(huán)境變化的相關(guān)性等多項(xiàng)研究。巖土文物風(fēng)化和病害機(jī)理研究一直以來(lái)難以建立一個(gè)科學(xué)的試驗(yàn)體系，主要原因是巖土風(fēng)化和壁畫病害的發(fā)生是多種環(huán)境因素耦合交織作用的結(jié)果，難以采用科學(xué)定量的手段進(jìn)行研究和評(píng)估。本試驗(yàn)裝置的成功研制，可提供土水氣熱等多場(chǎng)耦合的可控的試驗(yàn)環(huán)境，根據(jù)需要模擬控制各環(huán)境因子及其交織變化時(shí)的多場(chǎng)耦合的試驗(yàn)環(huán)境，準(zhǔn)確測(cè)量此過(guò)程中巖土文物仿真試驗(yàn)件內(nèi)在與外在物理化學(xué)特質(zhì)的實(shí)時(shí)變化，具有試驗(yàn)時(shí)間和測(cè)試條件可控，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確性高、重復(fù)性強(qiáng)，加速測(cè)試試驗(yàn)條件及試驗(yàn)件體量更接近于實(shí)物等特點(diǎn)，可為科學(xué)研究巖土文物風(fēng)化和病害機(jī)理及文物保護(hù)效果評(píng)估等提供切實(shí)可行的科學(xué)手段。

借助環(huán)境模擬領(lǐng)域和巖土工程領(lǐng)域多場(chǎng)耦合相關(guān)研究成果，根據(jù)巖土質(zhì)文物保護(hù)的實(shí)際需求，提出多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)方案，合理確定實(shí)驗(yàn)室的布局、功能、技術(shù)性能指標(biāo)，探討人工氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、儀器的優(yōu)化配置，并形成相關(guān)試驗(yàn)方法，研發(fā)基于多場(chǎng)耦合下的石窟圍巖風(fēng)化及壁畫鹽害模擬試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，打造我國(guó)首個(gè)不可移動(dòng)文物領(lǐng)域的模擬實(shí)驗(yàn)室，為敦煌石窟圍巖風(fēng)化和壁畫鹽害機(jī)理研究提供高技術(shù)環(huán)境仿真試驗(yàn)平臺(tái)，也將對(duì)我國(guó)對(duì)巖土質(zhì)文物病害機(jī)理的研究具有重大意義。

3 多場(chǎng)耦合試驗(yàn)裝置的研發(fā)

3.1 研發(fā)需求

基于技術(shù)因素和巖土質(zhì)文物保護(hù)需求，多場(chǎng)耦合試驗(yàn)裝置應(yīng)滿足以下要求：

（1）必須達(dá)到可逼真模擬多種環(huán)境場(chǎng)耦合作用的要求，應(yīng)具有模擬范圍廣、模擬因子多、模擬類型復(fù)雜、測(cè)量與控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度和準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。

（2）需涵蓋文物保護(hù)所在地一年四季的極端氣候條件的變化全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)溫濕度交變、日光照射、降雨降雪、風(fēng)雨組合、日照融雪各環(huán)境因子的模擬，可提供多種環(huán)境因子交織耦合相互作用的可以控制的試驗(yàn)條件。

（3）試驗(yàn)條件可根據(jù)需要自動(dòng)控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)精確測(cè)量，從而達(dá)到自然界無(wú)法實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)時(shí)間可控、測(cè)試條件可重復(fù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確性高的優(yōu)點(diǎn)。

（4）通過(guò)模擬多場(chǎng)耦合的環(huán)境，進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的試驗(yàn)測(cè)試，從而為保護(hù)方案的評(píng)估提供翔實(shí)可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，通過(guò)進(jìn)行加速耐久試驗(yàn)與自然環(huán)境變化試驗(yàn)的模擬，可為進(jìn)行兩種試驗(yàn)相關(guān)性的研究提供試驗(yàn)手段。

（5）試驗(yàn)科研人員通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累和對(duì)各類環(huán)境因子影響力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，可提出科學(xué)的病害機(jī)理模型，構(gòu)建文物保護(hù)的相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 研發(fā)過(guò)程

在多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路提出之后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就開始收集相關(guān)環(huán)境控制、石窟圍巖風(fēng)化和壁畫鹽害方面的研究資料，并通過(guò)調(diào)研和實(shí)際需求來(lái)確定多場(chǎng)耦合試驗(yàn)裝置的總體技術(shù)方案、總體布局、設(shè)備構(gòu)成和技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開展調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作，確定圍巖風(fēng)化和壁畫鹽害影響因子，并分析數(shù)據(jù)并提出病害機(jī)理模型。調(diào)研和吸取其他領(lǐng)域環(huán)境控制系統(tǒng)后，開展試驗(yàn)子系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)與集成，并改進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)，完成試驗(yàn)裝置原型設(shè)計(jì)、建筑及公用動(dòng)力設(shè)施相關(guān)設(shè)計(jì)的總體技術(shù)要求。進(jìn)行多場(chǎng)耦合試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)各子系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，編制設(shè)備控制邏輯，進(jìn)行電氣和控制軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的自動(dòng)化。

在以上工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行器件采購(gòu)和制造組裝，子系統(tǒng)的分模塊調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安裝及調(diào)試，實(shí)驗(yàn)室基建工作等，完成石窟圍巖風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)和壁畫鹽害機(jī)理試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建。多場(chǎng)耦合試驗(yàn)裝置技術(shù)設(shè)計(jì)框圖見圖5。

3.3 實(shí)驗(yàn)室功能組成及主要技術(shù)參數(shù)

3.3.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及主要功能

本實(shí)驗(yàn)室主要由實(shí)驗(yàn)倉(cāng)、控制室和機(jī)房組成。實(shí)驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)可模擬溫度、濕度、日照、降雨、降雪等各種環(huán)境氣候條件，并可實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)件在環(huán)境條件作用下內(nèi)在外在的物理化學(xué)特征的變化過(guò)程。

為提高實(shí)驗(yàn)室整體的使用效率，降低能耗，以及保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，將環(huán)境倉(cāng)設(shè)計(jì)成三個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，分別為夏季倉(cāng)，冬季倉(cāng)和風(fēng)雨倉(cāng)。這三個(gè)倉(cāng)體依次相連，倉(cāng)體都由保溫庫(kù)板搭成，夏季倉(cāng)和風(fēng)雨倉(cāng)之間、風(fēng)雨倉(cāng)和冬季倉(cāng)之間，各有一扇隔熱密閉大門，倉(cāng)體地面鋪設(shè)導(dǎo)軌，試驗(yàn)件放置在移動(dòng)平臺(tái)上可以方便地在各倉(cāng)間移動(dòng)。夏季倉(cāng)內(nèi)有一套控制倉(cāng)內(nèi)溫度地濕度的空調(diào)裝置和一套可以調(diào)整位置、角度和日照強(qiáng)度的全光譜日照模擬裝置。風(fēng)雨倉(cāng)內(nèi)有一套控制倉(cāng)內(nèi)溫度的空調(diào)裝置、一套可控制降雨量的局部降雨裝置、一套可控制風(fēng)速的吹風(fēng)模擬裝置。冬季倉(cāng)內(nèi)有一套控制倉(cāng)內(nèi)溫度和濕度的空調(diào)裝置、一套可控制降雪量的局部降雪裝置、一套可以調(diào)整位置的全光譜日照模擬裝置。夏季倉(cāng)和冬季倉(cāng)的空調(diào)裝置內(nèi)至少有一套熱量可調(diào)的加熱裝置、一套冷量可調(diào)的制冷裝置、一套加濕量可調(diào)的加濕裝置和一套除濕量可調(diào)的除濕裝置，可以實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的交變控制。風(fēng)雨倉(cāng)的空調(diào)裝置內(nèi)至少有一套熱量可調(diào)的加熱裝置、一套冷量可調(diào)的制冷裝置，可以實(shí)現(xiàn)溫度的交變控制。試驗(yàn)裝置包含一個(gè)控制系統(tǒng)，可依據(jù)時(shí)間變化，連續(xù)模擬一天早午晚溫度、濕度、日照強(qiáng)度、降雨量、風(fēng)速和降雪量的交替變化。該控制系統(tǒng)可以是計(jì)算機(jī)，或是若干PLC系統(tǒng)，或是若干程序控制器。

在夏季倉(cāng)內(nèi)，可覆蓋模擬夏季的溫度、濕度和日照條件，溫度和濕度通過(guò)一套空調(diào)裝置進(jìn)行控制?？照{(diào)裝置內(nèi)有至少一套熱量可調(diào)的加熱裝置、一套冷量可調(diào)的制冷裝置、一套加濕量可調(diào)的加濕裝置和一套除濕量可調(diào)的除濕裝置，通過(guò)加熱裝置升高溫度，冷卻裝置降低溫度達(dá)到溫度控制的目的;通過(guò)加濕裝置提高濕度，除濕裝置降低濕度，達(dá)到濕度控制的目的。其中，除濕裝置可以是化學(xué)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)?？照{(diào)裝置可以實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的交變控制?？梢苿?dòng)日照裝置需采用全光譜日照，安裝在圓弧形支架上，日照位置、照射角度可電動(dòng)調(diào)節(jié)，強(qiáng)度可按不同時(shí)間段的設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)，以模擬早午晚等時(shí)間段的不同日照狀況。

在風(fēng)雨倉(cāng)內(nèi)，可覆蓋模擬降雨季溫度、降雨、吹風(fēng)、風(fēng)雨組合侵蝕條件。溫度通過(guò)一套空調(diào)裝置進(jìn)行控制。空調(diào)裝置內(nèi)至少有一套熱量可調(diào)的加熱裝置、一套冷量可調(diào)的制冷裝置，通過(guò)加熱裝置升高溫度，通過(guò)冷卻裝置降低溫度達(dá)到溫度控制的目的。空調(diào)裝置可以實(shí)現(xiàn)溫度的交變控制。通過(guò)一套局部降雨裝置控制降雨，采用大中小三種降雨噴嘴，可模擬小雨至大雨的雨強(qiáng)、不同的雨滴形態(tài)，以及接近自然降雨的沖擊力。吹風(fēng)模擬裝置可以采用一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，用變頻驅(qū)動(dòng)控制出口風(fēng)速，出風(fēng)口可以采用整流罩整流。風(fēng)機(jī)安裝在風(fēng)機(jī)支架上可以移動(dòng)，并可升降調(diào)整吹風(fēng)高度。降雨裝置和吹風(fēng)裝置可以同時(shí)工作，對(duì)風(fēng)雨組合侵蝕試驗(yàn)條件的情況進(jìn)行模擬。

在冬季倉(cāng)內(nèi)，可覆蓋模擬冬季溫度、濕度、降雪和日照融雪條件。溫度和濕度通過(guò)一套空調(diào)裝置進(jìn)行控制。空調(diào)裝置內(nèi)至少有一套熱量可調(diào)的加熱裝置、一套冷量可調(diào)的制冷裝置、一套加濕量可調(diào)的加濕裝置和一套除濕量可調(diào)的除濕裝置，通過(guò)加熱裝置升高溫度，冷卻裝置降低溫度達(dá)到溫度控制的目的;通過(guò)加濕裝置提高濕度，除濕裝置降低濕度，達(dá)到濕度控制的目的。其中，除濕裝置可以是化學(xué)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)。空調(diào)裝置可以實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的交變控制。通過(guò)一套降雪裝置控制降雪，降雪量非連續(xù)可控，分大中小三級(jí)模擬不同等級(jí)的降雪，降雪厚度自動(dòng)測(cè)量。日照裝置采用全光譜日照，安裝在可移動(dòng)支架上，日照強(qiáng)度不可以調(diào)節(jié)，用于融雪。

夏季倉(cāng)、風(fēng)雨倉(cāng)和冬季倉(cāng)采用一套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和PLC組成。通過(guò)控制系統(tǒng)，可以控制每個(gè)倉(cāng)進(jìn)行完全獨(dú)立的模擬試驗(yàn)。在夏季倉(cāng)內(nèi)，可依據(jù)時(shí)間的變化，連續(xù)模擬夏季一天早午晚溫度、濕度、日照強(qiáng)度的交替變化;在冬季倉(cāng)內(nèi)，可依據(jù)時(shí)間的變化連續(xù)模擬冬季一天早午晚溫度、濕度、降雪、融雪的交替變化;在風(fēng)雨倉(cāng)內(nèi)，可依據(jù)時(shí)間的變化連續(xù)模擬雨季一天早午晚溫度、降雨、風(fēng)速的交替變化?？刂葡到y(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)同一試驗(yàn)件在各倉(cāng)間的連續(xù)流轉(zhuǎn)循環(huán)測(cè)試，可依據(jù)時(shí)間的變化任意順序模擬夏季、冬季、雨季的交替變化。在打開夏季倉(cāng)、風(fēng)雨倉(cāng)和冬季倉(cāng)之間的隔熱密閉大門后，試驗(yàn)件放置在移動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)地面導(dǎo)軌可以方便地在三個(gè)倉(cāng)內(nèi)流轉(zhuǎn)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)倉(cāng)不同因子之間的耦合。

3.3.2 主要技術(shù)參數(shù)

該試驗(yàn)裝置采用三種不同類型試驗(yàn)倉(cāng)體結(jié)合的技術(shù)方案，使得試驗(yàn)裝置具有環(huán)境控制范圍廣、試驗(yàn)測(cè)試靈活、性能可靠等特征。試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下表1—4。

4 結(jié) 論

（1）由于文物的珍貴和特殊性，決定了文物研究領(lǐng)域必須采用無(wú)損測(cè)試及模擬試驗(yàn)研發(fā)裝置。本試驗(yàn)裝置可提供土水氣熱等各類多場(chǎng)耦合的試驗(yàn)環(huán)境和實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量系統(tǒng)，為文物風(fēng)化和病害機(jī)理研究及文物保護(hù)技術(shù)方案評(píng)估提供有力的研發(fā)手段和設(shè)備保障。

（2）通過(guò)采用三種不同類型試驗(yàn)倉(cāng)體結(jié)合的技術(shù)措施，在實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)的疊加和耦合的同時(shí)，可提高設(shè)備的可靠性，為進(jìn)一步開展不同環(huán)境條件下文物的破壞機(jī)理以及保護(hù)材料與工藝的基本熱學(xué)、力學(xué)參數(shù)以及整體結(jié)構(gòu)的環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

（3）多場(chǎng)耦合試驗(yàn)裝置的研發(fā)與建設(shè)對(duì)國(guó)內(nèi)外文物保護(hù)領(lǐng)域具有里程碑的意義。它的成功建設(shè)對(duì)推動(dòng)文物保護(hù)技術(shù)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立具有重要意義。

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