天水石作瑞故居土質(zhì)墻體鹽害現(xiàn)狀調(diào)查與分析

歐秀花，常曉麗，張睿祥

（1.天水師范學(xué)院 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001；2.中國科技大學(xué) 人文與社會科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026）

石作瑞故居位于甘肅省天水市秦州區(qū)西關(guān)街道解放路石家巷，是清乾隆時期川南永寧道道臺石作瑞居住的宅院。該建筑群始建于清代早期，原有大小七座院落，平面呈北斗七星布局，占地約4000m2。現(xiàn)存院落共5座，1號、2號院在巷道東側(cè)，4、5、6號院在巷道西側(cè)，每個院落形成封閉式的四合院。其中，5號院以“伏羲九宮八卦圖”形制構(gòu)建，尤為特殊。2002年6月，石作瑞故居被天水市歷史文化名城保護(hù)委員會公布為“保護(hù)院落”。2003年7月，石作瑞故居被甘肅省文物局確定為第六批省級文物保護(hù)單位。

受到土體自身脆弱性的制約，以及溫濕度、人為破壞等因素的影響，石作瑞故居土質(zhì)墻體存在許多病害，尤以鹽害危害最大。鹽分，特別是可溶性或微溶性鹽在土質(zhì)墻體表面聚集，削弱了土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，拉大了土體顆粒之間的距離，造成土體表面泛白，嚴(yán)重時可引起土體脫落、酥粉、掏蝕凹進(jìn)。石作瑞故居部分墻體曾經(jīng)于2010年前后進(jìn)行維修，但由于土質(zhì)墻體未進(jìn)行有效的脫鹽處理，加上修復(fù)材料所帶有的鹽分，目前土質(zhì)墻體局部出現(xiàn)剝落、酥粉等病害，已經(jīng)影響到石作瑞故居土質(zhì)墻體的長久保存。

本文以石作瑞故居現(xiàn)存5處院落的土質(zhì)墻體為研究對象，以鹽害最為嚴(yán)重的1號院落土質(zhì)墻體為重點(diǎn)研究對象，通過調(diào)查土質(zhì)墻體鹽害現(xiàn)狀，分析土的性質(zhì)和鹽分的種類及含量，探索石作瑞故居土質(zhì)墻體鹽害的表現(xiàn)形式、形成原因、鹽分的分布規(guī)律。本研究不僅為石作瑞故居土質(zhì)墻體的保護(hù)研究提供參考依據(jù)，而且對其他古民居土質(zhì)墻體的保護(hù)研究也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 石作瑞故居的建造技法、賦存環(huán)境及鹽害表現(xiàn)

1.1 石作瑞故居土質(zhì)墻體的建造技法

石作瑞故居土質(zhì)墻體在建造時已經(jīng)充分考慮到天水的氣候特點(diǎn)及取材的方便，以適宜、廉價(jià)的土坯作為建筑用材。資料顯示，[1]當(dāng)厚度達(dá)到30cm以上時，土坯砌筑成的墻體具有良好的保溫隔熱效果。石作瑞故居墻體主要由下堿和土質(zhì)墻體兩部分構(gòu)成。下堿是由長約25cm、寬約18cm、高約5cm的青磚砌筑，土質(zhì)墻體是由長約40cm、寬約18cm、高約5cm的土坯按照三平一側(cè)、全順上下錯縫等方式砌筑而成。土質(zhì)墻體在砌筑過程中摻加石子、木板、磚瓦片等加筋材料，土坯外面抹上厚約1 cm的草拌泥，草拌泥外層再抹上一層或幾層白灰。

1.2 石作瑞故居土質(zhì)墻體的賦存環(huán)境

石作瑞故居所處的天水市秦州區(qū)位于甘肅省東南部，地處隴中黃土高原與隴南山地的過渡地帶。這一地區(qū)介于北緯34°05'～35°10'和東經(jīng) 103°35'～106°44'之間，屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在6～11℃之間，最大風(fēng)速21m/s。[2]受季風(fēng)氣候的影響，秦州區(qū)降水量季節(jié)分配很不均勻，冬季較少，夏秋之交最為集中，7～9月之間降水尤為集中，降雨量可達(dá)361.2mm。

石作瑞故居位于天水秦州區(qū)藉河谷地，地勢低洼，地下水位高，秦州區(qū)地下水中NO3-、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+含量較高，總硬度為17.2mg·L-1，pH值為7.8。[3]經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，民居基礎(chǔ)部位低于周圍地平面約1.2m，見圖1。1號院落倒座的后墻邊有排污通道，靠近下堿部位的土質(zhì)墻體破壞嚴(yán)重，見圖2。

圖1 石作瑞故居基礎(chǔ)部位低于周圍地面

圖2 石作瑞故居1號院排污通道

近年來，天水周邊工業(yè)的發(fā)展以及冬季供暖等過程中排放的大氣污染物濃度不斷升高，[4]如氮氧化物、硫氧化物等有害物質(zhì)，加之保護(hù)理念相對落后、公眾保護(hù)意識不強(qiáng)、保護(hù)管理相對滯后，石作瑞故居土質(zhì)墻體的損壞速度明顯加快。

1.3 石作瑞故居土質(zhì)墻體的鹽害表現(xiàn)

石作瑞故居土質(zhì)墻體的鹽害主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.3.1 泛白、酥粉

泛白、酥粉是土質(zhì)墻體鹽害最常見的表現(xiàn)形式。石作瑞故居土質(zhì)墻體出現(xiàn)泛白、酥粉主要有兩方面的原因：一是物理作用。物理作用引起土質(zhì)墻體內(nèi)部的可溶性鹽不斷溶解-結(jié)晶-再溶解-再結(jié)晶，造成土體內(nèi)應(yīng)力增大，土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)力減?。欢腔瘜W(xué)作用。當(dāng)水分存在時，土體中的硫酸鈣等物質(zhì)會與水結(jié)合形成水合鹽，如CaSO4·2H2O等。這種水合鹽在室溫下不太穩(wěn)定，當(dāng)空氣干燥時易失去結(jié)晶水。這一過程中發(fā)生的化學(xué)變化，也會引起土質(zhì)墻體出現(xiàn)泛白、酥粉現(xiàn)象。土質(zhì)墻體的泛白、酥粉現(xiàn)象，見圖3。

圖3 土質(zhì)墻體泛白、酥粉

1.3.2 片狀或塊狀剝離

石作瑞故居土質(zhì)墻體外層涂覆材料石灰，可與空氣中的CO2作用，形成堅(jiān)硬的白色物質(zhì)CaCO3，它具有抵抗風(fēng)雨等外界營力破壞的能力。然而，這種堅(jiān)硬的保護(hù)層易造成土質(zhì)墻體表層與內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力差異。當(dāng)土體出現(xiàn)干濕循環(huán)變化時，靠近墻體下堿部分的鹽分運(yùn)移較為活躍，易形成鹽分的局部聚積。因此，土質(zhì)墻體表層極易與內(nèi)部形成新的分界面，從而引起土質(zhì)墻體出現(xiàn)片狀或塊狀剝離。石作瑞故居土質(zhì)墻體片狀或塊狀剝離現(xiàn)象分布最廣，主要集中在1號院落的倒座、正房、東西廂房，2號院落的西廂房，5號院落西廂房，6號院落的倒座、東西廂房，見圖4。

圖4 土質(zhì)墻體泛白、剝離

1.3.3 掏蝕凹進(jìn)

石作瑞故居墻體下堿由磚砌筑而成。研究表明，[5]粘土型燒結(jié)磚屬于多孔性材料，含有硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鈉、硫酸鉀、硝酸鉀等物質(zhì)。當(dāng)空氣濕度較大時，磚中的可溶性鹽溶解在水中，并隨著水分發(fā)生遷移。若土質(zhì)墻體與磚直接接觸，磚中的鹽分會遷移到土質(zhì)墻體之中。這類物質(zhì)通過溶解-結(jié)晶-再溶解-再結(jié)晶在土體內(nèi)部或表層轉(zhuǎn)化或富集，增大土體顆粒之間的壓力和孔隙，降低土體顆粒的團(tuán)聚性，從而造成土體顆粒變小、粉化。[6-8]當(dāng)鹽分與溫度、濕度等因素共同作用時，這種作用具有不可逆性，會引起土質(zhì)墻體局部支撐力下降，出現(xiàn)掏蝕凹進(jìn)現(xiàn)象。掏蝕凹進(jìn)現(xiàn)象主要發(fā)生在石作瑞故居1號院落和6號院落，見圖5和圖6。

圖5 墻體的酥粉、凹進(jìn)

圖6 與土體接觸的磚墻表面析出鹽

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

精密pH計(jì)；電導(dǎo)率儀；超聲波清洗器；真空干燥箱；體式顯微鏡；掃描電子顯微鏡；離子色譜儀。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 土樣的采集與處理

2.2.1.1 樣品采集

為減少鹽分運(yùn)移對土質(zhì)墻體產(chǎn)生的破壞，必須查明鹽分的類型、含量、分布規(guī)律，以便制定科學(xué)合理的保護(hù)措施?？紤]到天水市秦州區(qū)冬季干燥，鹽分析出較為明顯，本研究在12月份前后采集1號院倒座后墻的土體進(jìn)行檢測分析。樣品采集遵循文物保護(hù)中“最小干預(yù)原則”，取樣量在滿足實(shí)驗(yàn)要求的同時，應(yīng)盡可能少取樣。

具體方法如下：

土樣：在距離墻體下堿一定高度處，用羊毛刷將土樣清掃至硫酸紙上，轉(zhuǎn)移至自封袋中密封保存。樣品采集點(diǎn)，見圖7。

圖7 樣品采集點(diǎn)示意圖

析出的鹽分：用小鏟刀取墻體下堿部分帶有鹽分的土，轉(zhuǎn)移至自封袋中密封保存。

2.2.1.2 土體浸出液的制備

稱取過篩（1mm篩）的風(fēng)干土樣50g，精確至0.01g，置于廣口瓶中，按土、水比例1:5（質(zhì)量∶體積）加入去除CO2的蒸餾水，放入超聲波清洗器中超聲振蕩3min。靜置30min后，減壓過濾后，再用離心機(jī)離心，所得的透明濾液即為土的浸出液，以下簡稱浸出液，貯于細(xì)口瓶中供分析用。[9]工作參數(shù)：溫度25℃，功率3000w、離心轉(zhuǎn)速3000 r· min-1。

2.2.2 土體含水量的測定

參考標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019》，采用烘干法測定土樣的含水量。[9]

2.2.3 土體pH值的測定

參考標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019》，采用pH計(jì)測定土體浸出液的pH值。[9]

2.2.4 土體鹽分的測定

2.2.4.1 電導(dǎo)法：電導(dǎo)法是快速準(zhǔn)確測定土體中可溶鹽的方法。利用DDS-307型電導(dǎo)儀測試上述浸出液電導(dǎo)率，參照含鹽量與電導(dǎo)率的比值計(jì)算，因測得讀數(shù)為在25℃時的電導(dǎo)率，單位為μs·cm-1，土體溶液含鹽總量可依據(jù)C=α×S計(jì)算。式中，C為溶液含鹽量，單位：mg·L-1；α為含鹽量與電導(dǎo)率的比值，可依電導(dǎo)率數(shù)值區(qū)間來決定。當(dāng)電導(dǎo)率值在1000～1500μs· cm-1時，α值為0.75。當(dāng)電導(dǎo)率值在1500～2000μs·cm-1時，α值為0.77；S為電導(dǎo)率，單位為μs·cm-1。電導(dǎo)率和含鹽量在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。電導(dǎo)率越大，說明土體可溶鹽總量越多。[10,11]

2.2.4.2 離子色譜分析法：采用DIONEX ICS-90型離子色譜儀，陰離子分析用淋洗液為12.0mmol·L-1Na2CO3，陽離子分析用淋洗液為20mmo1·L-1甲烷磺酸，進(jìn)樣體積為10μL。將樣品研磨后裝入專用樣品袋，105℃烘箱中烘干2h，冷卻至室溫稱重，蒸餾水溶解，超聲波清洗器超聲提取20min、脫色搖床振蕩1h，再用過濾器過濾，將所得溶液定容至50mL，待測。工作參數(shù)：超聲振蕩功率3000w。

2.2.5 形貌觀察

利用體式顯微鏡觀察析出的針狀結(jié)晶；采用SEM觀察析出鹽分的結(jié)構(gòu)。測試方法：將表面析出鹽分的土樣制成約5mm×5mm×2mm大小樣塊，保持其表面原始狀態(tài)，用導(dǎo)電雙面膠固定在金屬載物臺上，噴金處理后進(jìn)行SEM測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 電導(dǎo)率和含鹽總量

土體的電導(dǎo)率、含鹽總量的測定結(jié)果，見表1。

表1 土樣的電導(dǎo)率、含鹽量總量測試結(jié)果

由表1可知，隨著距離墻體下堿高度的增大，墻體土的電導(dǎo)率和含鹽總量均呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢。當(dāng)距離墻體下堿60cm處，土體的電導(dǎo)率達(dá)到最大值，其值為1930μs·cm-1，含鹽總量為7.39g·kg-1，超過黃土飽和含鹽量3.0g·kg-1。[12]

由表1也可得知，麥草的電導(dǎo)率和含鹽總量均大于墻體土。這是由于麥草屬于纖維類材料，具有較強(qiáng)的吸附潤脹性，會加快磚中的鹽類物質(zhì)向土質(zhì)墻體的遷移速度，促進(jìn)鹽分在麥草內(nèi)部的聚集。

與取樣點(diǎn)直接接觸的磚面，其電導(dǎo)率和含鹽總量遠(yuǎn)大于墻體土。隨著水分的運(yùn)移，構(gòu)成墻體下堿的粘土型燒結(jié)磚中的硫酸鈉等物質(zhì)也會向土體中遷移、轉(zhuǎn)化、富集，[11]進(jìn)而造成石作瑞故居部分土質(zhì)墻體出現(xiàn)掏蝕凹進(jìn)等現(xiàn)象。

3.2 含水量

水分作為鹽分運(yùn)移的媒介，可促進(jìn)鹽分在土質(zhì)墻體中遷移和聚集，加快鹽害的發(fā)生速度。因此，土體含水量的測定顯得極為重要。土體含水量的測定結(jié)果，見圖8。

圖8 含水量的測定結(jié)果

由圖8可知，隨著距離墻體下堿高度的增大，土樣的含水量呈現(xiàn)遞減的變化趨勢。當(dāng)距離墻體下堿高度為0cm時，土體含水量最高，其數(shù)值為11.10%。當(dāng)距離墻體下堿高度為100cm時，土體的含水量為4.10%。天水市秦州區(qū)冬季空氣相對干燥，因而土體中所容納的水分也會相對減少。也就是說，在降水量相對集中的7～9月，石作瑞故居部分土質(zhì)墻體中的含水量會大于11.10%。研究表明，[13]鹽分是以水溶液的形式遷移的，鹽害的發(fā)生速度是隨著土體含水率的減小而減少。在水分蒸發(fā)過程中，微溶-可溶性鹽從濕區(qū)向干區(qū)遷移并在土體內(nèi)部或表層富集，引起土體內(nèi)應(yīng)力增大，土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)力減小，造成土體體積膨脹、土體強(qiáng)度下降。

此外，水作為強(qiáng)極性溶劑，具有溶蝕作用，能加快鹽分的溶解速度。[14]當(dāng)鹽類物質(zhì)溶于水后，鹽分的結(jié)晶作用所產(chǎn)生的膨脹力會引起土體開裂疏松。在外界營力作用下，土質(zhì)墻體易出現(xiàn)層狀脫落、凹進(jìn)或酥粉現(xiàn)象。因此，土體含水量較高正是石作瑞故居土質(zhì)墻體發(fā)生酥粉、掏蝕凹進(jìn)等病害的重要原因之一。

3.3 pH值

由圖8可知，隨著距離墻體下堿高度的增加，土樣的pH值呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，可能與土體所含有的NO3-、HCO3-、SO42-、Ca2+等離子的含量有關(guān)。石作瑞故居土質(zhì)墻體pH值大于7，這與《秦州區(qū)志》所記載的土體pH值數(shù)據(jù)相符。[3]

3.4 離子色譜分析

土樣中離子的種類及含量測試結(jié)果，見表2。

表2 土樣中離子的種類及含量測試結(jié)果

由表2可知，土體中的陽陰離子主要以K+、Ca2+、Na+、NO3-、Cl-、SO42-形式存在。隨著距離墻體下堿高度的增加，以上幾種離子的含量多呈現(xiàn)先增大后變小的變化規(guī)律。當(dāng)距離墻體下堿60cm時，離子總量達(dá)到最大。Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量變化范圍分別為3.89～4.91g· kg-1、1.78～14.60g · kg-1、5.43～8.44g · kg-1、1.46～2.69g·kg-1；NO3-、Cl-離子含量變化范圍分別為25.29～66.74g · kg-1、5.19～10.50g · kg-1。然而，SO42-含量呈現(xiàn)先減少后增大再減少的變化規(guī)律，其含量變化范圍為5.36～20.02g·kg-1。這可能與距離墻體下堿60cm～80cm處麥草吸附的鹽分有關(guān)。

此外，與土質(zhì)墻體直接接觸的墻體下堿中的離子總量均大于土質(zhì)墻體，主要有Na+、K+、Ca2+、NO3-、SO42-離子。在水分的蒸發(fā)作用和毛細(xì)作用下，磚中鹽類物質(zhì)向土體中遷移富集，削弱土體的團(tuán)聚力，導(dǎo)致土體散體化、顆?；?。

3.5 顯微觀察

土體表面析出鹽的顯微觀察結(jié)果，見圖9。

圖9 土體表面析出鹽的分布及其形態(tài)

由圖9可知，析出的鹽分呈針狀或片層形態(tài)并聚集在土體的表面或填充于土體孔隙之間，造成土體呈現(xiàn)泛白現(xiàn)象。研究表明，[13]隨著水分的蒸發(fā)，鹽分會發(fā)生結(jié)晶并富集在土體表層或內(nèi)表面。若水分的蒸發(fā)界面位于土體表面，水分蒸發(fā)后，溶解于水中的可溶鹽就會處于過飽和狀態(tài)，形成針狀或片狀等形態(tài)的結(jié)晶滯留在土體表面并析出，呈現(xiàn)圖9（a）所示的鹽分結(jié)晶。若水分的蒸發(fā)界面位于土體表層以下的某個位置，水分蒸發(fā)后，可溶鹽失去了運(yùn)移載體，就會滯留在土質(zhì)墻體立面上，呈現(xiàn)圖9（c）所示的鹽分結(jié)晶。在重力的作用下，土體的表層極易脫落，析出的鹽分清晰可見。調(diào)查發(fā)現(xiàn)的石作瑞土質(zhì)墻體某些部位輕輕觸動，就會出現(xiàn)土體剝落現(xiàn)象也證實(shí)了這一結(jié)論。

4 結(jié)論及今后進(jìn)一步的研究目標(biāo)

4.1 結(jié)論

4.1.1 石作瑞故居土質(zhì)墻體的鹽害主要發(fā)生在基礎(chǔ)部位，表現(xiàn)為泛白、酥粉、掏蝕凹進(jìn)、片狀或塊狀剝離等，且主要出現(xiàn)在墻體下堿以上0～80cm范圍內(nèi)。鹽害的形成與石作瑞故居土質(zhì)墻體自身的性質(zhì)及其賦存的環(huán)境、建造技法、建筑用材等密切相關(guān)。

4.1.2 隨著距離墻體下堿高度的增加，土體的含水量呈現(xiàn)遞減的變化規(guī)律，而pH值、電導(dǎo)率和含鹽量則呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。土質(zhì)墻體中主要有 K+、Ca2+、Na+、NO3-、Cl-、SO42-等離子，這些離子在溫濕度等外界營力協(xié)同作用下發(fā)生遷移聚集，造成石作瑞故居土質(zhì)墻體出現(xiàn)酥粉、脫落、掏蝕凹進(jìn)現(xiàn)象。

4.2 今后進(jìn)一步的研究目標(biāo)

本研究僅重點(diǎn)對石作瑞故居鹽害表現(xiàn)形式、形成原因以及鹽害最為嚴(yán)重的1號院倒座鹽分分布規(guī)律進(jìn)行了分析，未深入開展其他院落墻體鹽害研究工作，比如鹽分在水平方向的分布規(guī)律等。因而，根據(jù)石作瑞故居鹽害狀況及其所在地區(qū)的氣候環(huán)境、建造技法、建筑材料等實(shí)際情況，參考近年來學(xué)術(shù)界對巖土類文物的研究成果，如采用紅外熱成像技術(shù)等檢測技術(shù)、脫鹽技術(shù)、改善周圍環(huán)境等措施，深入開展石作瑞故居土質(zhì)墻體的鹽害綜合治理工作，能最大程度地保護(hù)石作瑞故居土質(zhì)墻體是今后進(jìn)一步的研究目標(biāo)。