兩種砂巖類(lèi)石質(zhì)文物材料耐候性及表面劣化實(shí)驗(yàn)研究

汪 洋， 夏 勇 李宏松， 戴仕炳， 湯 眾

（1.合肥學(xué)院建筑工程系，合肥 230022；2.中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院，北京 100029；3.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092）

0 概 述

我國(guó)的石質(zhì)文物形式多樣，內(nèi)容豐富，普遍具有極高的歷史人文和藝術(shù)價(jià)值。而大部分石質(zhì)文物長(zhǎng)期直接經(jīng)受風(fēng)吹、日曬、雨淋、風(fēng)沙磨蝕、酸雨、空氣中有害氣體的腐蝕，會(huì)產(chǎn)生極大的破壞作用，現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)環(huán)境的污染日益加劇，使這種破壞更加嚴(yán)重［1］。

石質(zhì)文物的損壞原因很復(fù)雜，屬于物理、化學(xué)和生物的綜合作用。本實(shí)驗(yàn)旨在研究由于受氣候條件的影響，環(huán)境溫度濕度的變化，以及材料本身含水量的變化，低溫條件下的凍融循環(huán)等因素對(duì)石質(zhì)文物的破壞情況，特別是那些表面刻字刻畫(huà)的石質(zhì)文物其表面劣化情況。

本研究實(shí)驗(yàn)樣品取自山西大同云岡石窟（實(shí)驗(yàn)代號(hào)Y）和甘肅慶陽(yáng)石窟（實(shí)驗(yàn)代號(hào)Q）的石材，取樣后表面刻字以觀察實(shí)驗(yàn)后期的劣化情況。兩者同屬砂巖類(lèi)文物材料，但石質(zhì)成分和物理力學(xué)性能有所差異，從而產(chǎn)生比對(duì)效果。重點(diǎn)模擬自然環(huán)境條件下砂巖類(lèi)文物的耐久性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比較兩類(lèi)砂巖類(lèi)文物在仿當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件下，相關(guān)物理性質(zhì)的變化和表面劣化情況，從而探討和驗(yàn)證產(chǎn)生損壞和劣化現(xiàn)象的原因。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備之一是氣候環(huán)境箱，本實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)BINDER KBF720恒溫恒濕箱（如圖1a），可設(shè)置程序滿(mǎn)足模擬氣候的循環(huán)要求（如圖1b）。

本次氣候模擬試驗(yàn)分為四個(gè)階段，每個(gè)階段都是模擬春、夏、秋、冬四季氣候進(jìn)行。

根據(jù)山西云岡、甘肅慶陽(yáng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M條件如下：

溫度10℃，濕度40%，6小時(shí)；溫度35℃，濕度95%，12小時(shí)；溫度10℃，濕度40%，6小時(shí)；溫度－10℃，濕度0%，12小時(shí)。

以上為一個(gè)循環(huán)36小時(shí)，共10個(gè)循環(huán)不間斷，共計(jì)15天作為一個(gè)階段。出箱后進(jìn)行顯微數(shù)碼拍照、三維激光掃描、質(zhì)量、密度、質(zhì)量吸水率、質(zhì)量損失率等指標(biāo)的測(cè)試。再放入環(huán)境箱中進(jìn)行下一階段循環(huán)，總計(jì)四個(gè)階段。

圖1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

石質(zhì)試塊在經(jīng)受侵蝕從而產(chǎn)生老化之后，主要的變化將體現(xiàn)在試塊表面，由于各種侵蝕因素的作用，表面會(huì)產(chǎn)生不同程度的毀損。毀損程度可以從試塊的幾何尺寸和表面色彩紋理上體現(xiàn)出來(lái)［2］。

由于天然石材并非勻質(zhì)物體，試塊表面的加工也很粗糙，因此測(cè)量物體變形等幾何尺寸的變化，不能使用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器如游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器等。本實(shí)驗(yàn)為了衡量試塊表面的駁落程度，采用Polhemus FastScan Cobra手持式三維激光掃描儀（如圖1c），通過(guò)掃描的方式采集每個(gè)試塊其中四個(gè)表面在不同時(shí)期的幾何尺寸變化信息。

FastSCAN Cobra通過(guò)投影一束激光到物體上，同時(shí)掃描棒端的相機(jī)從兩端來(lái)攝錄光束，掃描棒采用Polhemus的FASTRAK運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)，以記錄對(duì)象的三維曲面。同時(shí)使用磁跟蹤器來(lái)確定掃描棒的位置和方向，使計(jì)算機(jī)能夠重建物體的完整三維表面。三維激光掃描以高密度點(diǎn)陣采集物體表面的幾何信息，這樣就使得試塊表面各處細(xì)微的形狀變化都可以被比較出來(lái)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 前期準(zhǔn)備階段

烘干：石塊放入烘箱105°C烘干24小時(shí)至石塊恒重，干燥器中冷卻后稱(chēng)重M0；

浸水：石塊浸入蒸餾水，水表面距石塊表面高度50mm；

稱(chēng)重：浸水3小時(shí)后用濕毛巾擦拭表面水，稱(chēng)重M3；

浸水：分別稱(chēng)重M3后，再重新放入水中；

稱(chēng)重：浸水至24小時(shí)后用濕毛巾擦拭表面水，稱(chēng)重 M24；

體積：馬上用排水法測(cè)量石塊及其附屬物整體體積，記作V（本實(shí)驗(yàn)已盡量使用最小排水容器，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，但由于水的表面張力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在細(xì)微誤差），此體積除初始烘干重量，即標(biāo)記為容重0；

烘干：烘箱105°C烘干24小時(shí)至試塊恒重，干燥器中冷卻后稱(chēng)重ML24。

2.2 第1階段

進(jìn)箱：石塊全部放入環(huán)境箱中，每組擺放一層，共兩層，10個(gè)循環(huán)不間斷，共計(jì)15天；出箱：全部從環(huán)境箱取出；

烘干：放入烘箱105°C烘干24小時(shí)至石塊恒重，干燥器中冷卻后稱(chēng)重M0；

浸水：浸入蒸餾水，水表面距石塊表面高度50mm；稱(chēng)重：浸水3小時(shí)后用不滴水的毛巾擦拭表面水，稱(chēng)重M3；浸水：分別稱(chēng)重M3后，再重新放入水中；稱(chēng)重：浸水至24小時(shí)后用不滴水的毛巾擦拭表面水，稱(chēng)重M24；體積：馬上用排水法測(cè)量石塊及其附屬物整體體積，記作V，此體積除環(huán)境箱前烘干重量ML24，即標(biāo)記為容重1，容重2、3、4依此類(lèi)推；

烘干：烘箱105°C烘干24小時(shí)至試塊恒重，干燥器中冷卻后稱(chēng)重 ML24，質(zhì)量損失率1＝（ML24－M。）／M。＊100%，即第一階段（第二次浸水，入環(huán)境箱前已經(jīng)過(guò)第一次浸水，相應(yīng)的是質(zhì)量損失率0）質(zhì)量損失率1，質(zhì)量損失率2、3、4依此類(lèi)推；

掃描：FastSCAN三維激光掃描，4－5面；

拍照：用高精度的微距數(shù)碼攝影記錄試塊表面的各種變化。

第2、3、4階段重復(fù)以上步驟。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 取樣初始分析測(cè)試

云岡石塊和慶陽(yáng)石塊XRD及SEM巖相分析及物理力學(xué)性能測(cè)試如下：

云岡石塊（代號(hào)Y）：填隙物含量11%，主要成分為高嶺石8%，方解石2%，鐵質(zhì)1%。經(jīng)隨機(jī)抽樣，測(cè)其天然密度2.36，2.34，2.46，2.39，平均值2.39g／cm3，單軸抗壓強(qiáng)度16.34，29.25，20.79，27.08，平均值23.37MPa。

慶陽(yáng)石塊（代號(hào)Q）：填隙物含量4%，主要成分為方解石3%，粘土礦物1%?？紫逗?%，形態(tài)多樣，分布在碎屑礦物之間，直徑0.05－0.2mm。經(jīng)隨機(jī)抽樣，測(cè)其天然密度1.88，1.82，1.89，1.98，平均值1.89g／cm3，單軸抗壓強(qiáng)度16.04，10.87，10.20，10.53，平均值11.91MPa。

3.2 浸水質(zhì)量損失率、容重以及吸水率變化

每組12個(gè)試塊，在氣候環(huán)境箱中每一階段結(jié)束后，在兩組試塊中各取三個(gè)損壞相對(duì)明顯的石塊共六個(gè)，下一階段不再放入環(huán)境箱，留待透射偏光顯微分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相對(duì)于初始階段，經(jīng)一次浸水后試塊體積增大，質(zhì)量吸水率增加，烘干至恒重后其質(zhì)量增大，如圖2、圖3和圖4所示。限于篇幅，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一一列出，僅顯示第一階段變化趨勢(shì)，后續(xù)階段變化大致相同。

圖2 經(jīng)一次浸水烘干至恒重后其質(zhì)量變化（0代表入箱前1代表入箱后）

圖3 入環(huán)境箱經(jīng)歷第一階段循環(huán)后浸水體積變化（0代表入箱前1代表入箱后）

圖4 耐候性實(shí)驗(yàn)后比實(shí)驗(yàn)前質(zhì)量吸水率變化（0代表入箱前1代表入箱后）

3.3 三維激光掃描結(jié)果

在試塊放進(jìn)環(huán)境箱進(jìn)行耐候性老化實(shí)驗(yàn)之前，先將每組試塊進(jìn)行掃描，記錄初始表面形狀信息，從而和耐候性實(shí)驗(yàn)以后的相同試塊進(jìn)行比對(duì)。

試塊的耐候性老化實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再次掃描，將兩次掃描的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在垂直方向進(jìn)行剖切，得到試塊相對(duì)兩個(gè)表面兩次掃描后的剖切線(xiàn)。從得到的剖切線(xiàn)圖中可以觀察到經(jīng)過(guò)老化實(shí)驗(yàn)后試塊的表面幾何尺寸發(fā)生了細(xì)微的變化，而且這種變化是不均勻的，表明試塊的表面被侵蝕的變化程度深淺不一（見(jiàn)圖5）。根據(jù)分析計(jì)算的結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過(guò)4個(gè)階段60天的耐候性實(shí)驗(yàn)后，Y類(lèi)石塊表面侵蝕深度平均約為0.1mm，Q類(lèi)石塊表面侵蝕深度平均約為0.3mm。

圖5 試塊的表面狀態(tài)掃描及表面侵蝕程度分析

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）云岡和慶陽(yáng)兩組石塊，在環(huán)境箱中進(jìn)行耐候性實(shí)驗(yàn)前，經(jīng)一次浸水再烘干至恒重后，其質(zhì)量增加，即一次浸水質(zhì)量損失率為負(fù)值，其中慶陽(yáng)石塊質(zhì)量增加較多。

（2）四次在環(huán)境箱中進(jìn)行耐候性實(shí)驗(yàn)中，云岡石塊前三次循環(huán)質(zhì)量有所損失，且呈遞增趨勢(shì)，但第四次循環(huán)實(shí)驗(yàn)出箱后其質(zhì)量增加。慶陽(yáng)石塊四次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中浸水質(zhì)量均有所增加，且在第二次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后達(dá)到最大值。

（3）第一次入環(huán)境箱進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，經(jīng)過(guò)24小時(shí)浸水，石塊體積明顯增大，其中慶陽(yáng)石塊整體膨脹尤為明顯，而在后三次循環(huán)中體積均有不同程度的收縮。

（4）在環(huán)境箱中進(jìn)行耐候性實(shí)驗(yàn)后，比起耐候性實(shí)驗(yàn)前，3小時(shí)、24小時(shí)質(zhì)量吸水率有所增加。

（5）在環(huán)境箱中進(jìn)行耐候性實(shí)驗(yàn)后，對(duì)慶陽(yáng)石塊表面尤其是刻字部位的侵蝕比較嚴(yán)重，諸多試樣表面出現(xiàn)明顯的層理狀剝落。（如圖6所示，左為云岡石塊，右為慶陽(yáng)石塊）相比之下，云岡石塊比慶陽(yáng)石塊整體劣化程度輕。

圖6 兩類(lèi)石材的表面剝蝕情況

（6）通過(guò)肉眼觀察和微距數(shù)碼攝影記錄，發(fā)現(xiàn)慶陽(yáng)石塊普遍出現(xiàn)褪色并伴有淺色斑點(diǎn)。慶陽(yáng)石塊局部表面變暗，形成色差（圖7）。

圖7 環(huán)境箱中慶陽(yáng)石塊老化前后色彩紋理的變化

（7）四階段實(shí)驗(yàn)，歷經(jīng)5次24小時(shí)浸水，其中浸泡慶陽(yáng)石塊的容器出現(xiàn)明顯的渾濁，底部有大量顆粒狀沉淀，說(shuō)明其表面剝落和內(nèi)部成分的析出比較嚴(yán)重。而云岡石塊基本無(wú)沉淀，水溶液有一定的渾濁。

（8）根據(jù)三維激光掃描結(jié)果顯示，慶陽(yáng)石塊表面風(fēng)化程度更高。

4.2 結(jié)果分析

筆者從內(nèi)部因素（化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）和外部（水、溫度）因素兩個(gè)方面分析出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因。

（1）內(nèi)部因素。天然石材有砂巖、石灰?guī)r、花崗巖等幾種類(lèi)型。不同種類(lèi)的天然石材膠結(jié)物類(lèi)型、孔隙率等差異較大，這其中花崗巖密實(shí)度較高，從而耐久性、穩(wěn)定性最高。但本實(shí)驗(yàn)采樣石塊是砂巖結(jié)構(gòu)，砂巖型石窟主要是開(kāi)鑿在砂巖或砂巖夾薄層泥巖、頁(yè)巖中，砂巖類(lèi)的材質(zhì)疏松、孔隙率大，易受環(huán)境侵害，其巖相的礦物組成、層理結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部孔隙率大小等內(nèi)部因素對(duì)抵抗自然環(huán)境的侵蝕有著直接的影響［3］。

砂巖內(nèi)部存在著一定量的膠結(jié)物，含粘土礦物膠結(jié)物的巖石很容易產(chǎn)生軟化。這是因?yàn)槟噘|(zhì)膠結(jié)物中含有大量像蒙脫石一類(lèi)的黏土，蒙脫石具有層狀結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)單元層間有空隙，可以吸收大量水分，吸水后晶胞強(qiáng)烈膨脹，而失水后又會(huì)產(chǎn)生收縮，產(chǎn)生很大的體積變形。當(dāng)環(huán)境氣候發(fā)生變化，巖石經(jīng)過(guò)反復(fù)的吸水膨脹和失水收縮作用，加速了巖石的軟化和分解。

慶陽(yáng)石塊含有較大空隙，孔隙含量5%，含有一定的泥質(zhì)膠結(jié)物，遇水容易發(fā)生溶脹效果，也可能產(chǎn)生水化作用，生成新的水化產(chǎn)物，使泥質(zhì)顆粒進(jìn)一步增大，引起石質(zhì)膨脹。當(dāng)失水時(shí)，甚至泥質(zhì)隨水流失，產(chǎn)生溶出性侵蝕，使石質(zhì)孔隙增大而變得疏松，石質(zhì)表面酥粉，發(fā)生層狀剝落，抵御外界因素破壞的能力由此變差。云岡石塊的強(qiáng)度硬度較高，結(jié)構(gòu)較致密，而慶陽(yáng)石塊強(qiáng)度硬度低，結(jié)構(gòu)松軟，使體積變形、質(zhì)量損失、風(fēng)化老化等不良效果加劇。

（2）外部因素。實(shí)驗(yàn)樣品總體而言密實(shí)度不高，具有較大孔隙率，其化學(xué)風(fēng)化和物理風(fēng)化更明顯，研究認(rèn)為在環(huán)境箱的高濕度下，由于毛細(xì)作用和滲水，石孔內(nèi)部吸收了大量水分，和砂巖作用造成膠結(jié)物被破壞從而導(dǎo)致巖石酥粉風(fēng)化。

水的機(jī)械作用會(huì)造成表面的浸出現(xiàn)象，產(chǎn)生石質(zhì)表面形象腐蝕或形象缺失（或稱(chēng)為清晰度缺失）的現(xiàn)象，或者在異質(zhì)材料的情況下，會(huì)生成一種差異表面，那些強(qiáng)度低的部分會(huì)剝離掉，比較密實(shí)的礦物部分會(huì)露出，從而使表面石刻文字或繪畫(huà)出現(xiàn)模糊斑駁，更嚴(yán)重的如慶陽(yáng)石塊出現(xiàn)平行于壁面逐漸脫離母體即剝落，它是巖石材料表層一種較嚴(yán)重較常見(jiàn)的破壞形式［4］。冷凍水、冷凝水等通過(guò)微孔進(jìn)入石塊內(nèi)部，在溫度變化時(shí)體積發(fā)生變化產(chǎn)生壓力和內(nèi)部張力，由于內(nèi)部的水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的壓力以及結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的密封水的體積膨脹，造成類(lèi)似于凍融循環(huán)的不良效果，也會(huì)造成石體裂損。

當(dāng)環(huán)境中CO2濃度較高，又和水直接接觸，會(huì)同時(shí)發(fā)生物理作用和化學(xué)作用，石質(zhì)構(gòu)造中的石灰石會(huì)生成易溶的碳酸氫鈣，生成物呈粉末狀附著在石質(zhì)表面的強(qiáng)度很小的腐蝕層，很容易破碎脫落。

陽(yáng)光照射或大氣介質(zhì)的作用都可能使石塊產(chǎn)生色彩病變，本實(shí)驗(yàn)中材料表面色彩退化的主要原因，慶陽(yáng)石塊可能是由于老化作用和水中浸泡使色素物質(zhì)析出；云岡石塊可能是由于局部產(chǎn)生化學(xué)變化或水的不均勻滲透。

溫度的變化對(duì)石質(zhì)的有效影響范圍可深達(dá)10cm左右。石質(zhì)文物受熱膨脹、冷卻收縮，在環(huán)境箱內(nèi)溫度變化周期短，使體積變形更為劇烈，反復(fù)作用使石質(zhì)文物產(chǎn)生裂隙和表面片狀剝落。

上述水溶液侵蝕和環(huán)境溫度的變化使石質(zhì)文物巖體在結(jié)構(gòu)構(gòu)造或化學(xué)成分上逐漸發(fā)生變化，使巖石由堅(jiān)硬變得疏松，組成巖石的礦物也發(fā)生分解。

此外，大氣的作用和鹽類(lèi)結(jié)晶也是兩大外在破壞因素［5］，但本實(shí)驗(yàn)周期相對(duì)較短且用蒸餾水，故此不在驗(yàn)證范圍內(nèi)，不再贅述。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究通過(guò)模擬自然環(huán)境四季變化，通過(guò)實(shí)測(cè)試樣的質(zhì)量變化、體積變化、形狀變化及吸水性、表面形態(tài)等指標(biāo)，驗(yàn)證了化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、凍融循環(huán)、溫度變化等內(nèi)外部因素對(duì)石質(zhì)文物產(chǎn)生破壞和表面劣化的影響程度，從而為此類(lèi)砂巖文物保護(hù)手段和措施提供參考。

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