基于磁化率測(cè)量平遙古城古磚的燒制溫度

申佳妮，張中儉

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

古建筑的磚體在多年自然營(yíng)力作用下正遭受著嚴(yán)重的風(fēng)化破壞，亟待修復(fù)與加固?，F(xiàn)如今，古建筑古磚的保護(hù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

燒制溫度決定了古磚的物理力學(xué)性質(zhì)[1]。研究古建筑古磚的燒制溫度有利于尋找古磚替代磚。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)測(cè)量古磚燒制溫度的方法進(jìn)行了大量的研究。

許多專(zhuān)家學(xué)者根據(jù)不同燒制溫度下古磚的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)不同，對(duì)古磚的燒制溫度進(jìn)行分析。Cultrone等[2-3]發(fā)現(xiàn)不同燒制溫度下古磚中化合物和礦物成分及含量明顯不同。他們利用SEM觀察古磚的礦物成分和對(duì)古磚進(jìn)行超聲波測(cè)量，推斷拉脫維亞的三角堡壘中黃色古磚的燒制溫度低于紅色古磚[4]。Seneviratne等[5]發(fā)現(xiàn)古磚中氟化物含量會(huì)隨著燒制溫度變化而變化，根據(jù)氟化物的濃度變化可以推測(cè)古磚的燒制溫度。Chatfield[6]和Maniatis[7]等發(fā)現(xiàn)燒制溫度越高，黏土磚的玻璃化程度越高，黏土基質(zhì)燒結(jié)和玻璃化程度可以粗略評(píng)估磚瓦的燒制溫度。Maggetti[8]等發(fā)現(xiàn)不同燒制溫度下黏土磚中伊利石中間層的厚度明顯不同，他們利用XRD測(cè)量伊利石中間層的厚度從而對(duì)磚瓦塊的燒制溫度進(jìn)行了估計(jì)。Mirti[9]和Davit[10]等發(fā)現(xiàn)黏土磚的顏色會(huì)隨燒制溫度的改變而改變，根據(jù)黏土磚表面顏色的不同可以對(duì)比古磚的燒制溫度。但以上方法只能推測(cè)黏土磚的燒制溫度高于(或低于)某一溫度，或者將兩塊黏土磚溫度進(jìn)行比較，并不能測(cè)算出黏土磚的具體燒制溫度。Roberts和Tite[11-12]等發(fā)現(xiàn)黏土磚的熱膨脹系數(shù)會(huì)隨著黏土磚的燒制溫度而變化，形狀規(guī)則的磚瓦塊可以利用它的熱膨脹系數(shù)來(lái)測(cè)量它的燒制溫度。但這種方法只適用于500～1 200 ℃之間燒制溫度的黏土磚，燒制溫度太高或太低都無(wú)法得出結(jié)果，且誤差較大。Hayashida[13-14]等通過(guò)觀察黏土磚的Mossbauer線(xiàn)的強(qiáng)度來(lái)估計(jì)黏土磚的燒制溫度。但此種方法誤差較大，只能估計(jì)燒制溫度的區(qū)間，測(cè)量需要精密儀器，操作復(fù)雜。

在焙燒黏土磚時(shí)，黏土塊內(nèi)的礦物經(jīng)歷特征性反應(yīng)，例如脫羥基化，分解和轉(zhuǎn)化。其中，燒制溫度影響礦物的變化程度[15-16]。在燒制時(shí)，隨著原始礦物的破壞和新生礦物的產(chǎn)生和生長(zhǎng)，黏土磚的磁性也發(fā)生變化；黏土磚一旦冷卻下來(lái)，礦物成分和磁性就不會(huì)再發(fā)生變化[17]?；诖耍狙芯刻岢隼么呕蕘?lái)確定黏土磚的燒制溫度。首先，利用該方法測(cè)試已知燒制溫度的古磚，檢驗(yàn)該方法的可靠性；然后，利用該方法，測(cè)量了平遙古城10塊古磚的燒制溫度。

1 測(cè)試方法

對(duì)黏土磚重新進(jìn)行回溫時(shí)，當(dāng)黏土磚在低于原燒制溫度時(shí)，其礦物成分幾乎不會(huì)再發(fā)生變化，礦物磁性也基本不會(huì)發(fā)生變化。但是當(dāng)重新回溫的溫度接近或大于原燒制溫度時(shí)，原先未反應(yīng)的礦物或新生成的礦物會(huì)發(fā)生改變，從而引起礦物磁性的改變。因此，可以通過(guò)黏土磚的磁性來(lái)確定黏土磚的燒制溫度。

假定黏土磚的燒制溫度范圍，將黏土磚放入高溫爐中，將高溫爐升溫至假定最低溫度，并保持24 h。關(guān)閉高溫爐電源，黏土磚在高溫爐中靜置24 h，并完全冷卻。

從高溫爐中取出黏土磚，使用SM-30型磁化率測(cè)量?jī)x對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，每塊黏土磚測(cè)量3次，求取3次所測(cè)磁化率的平均值，獲得黏土磚在假定最低溫度下的磁化率數(shù)據(jù)。之后每次增加溫度間隔20 ℃，重復(fù)上述升溫、降溫和測(cè)量磁化率的步驟，直至溫度達(dá)到假定最高溫度，獲取這組黏土磚在相應(yīng)溫度下的磁化率數(shù)據(jù)。

將不同溫度下黏土磚的磁化率作為縱坐標(biāo)，升溫溫度作為橫坐標(biāo)，獲得黏土磚磁化率-溫度曲線(xiàn)圖。將相鄰的黏土磚磁化率數(shù)據(jù)的差值的平方作為縱坐標(biāo)，溫度作為橫坐標(biāo)，獲得磁化率差值的平方—溫度曲線(xiàn)圖，該曲線(xiàn)圖中第一次較大的偏差的橫坐標(biāo)即為黏土磚的燒制溫度。

2 已知燒制溫度的黏土磚的燒制溫度測(cè)量

為了驗(yàn)證該方法的合理性，從平遙縣取土，設(shè)置不同的燒制溫度分別在高溫爐中燒制黏土磚。利用本研究所述的方法測(cè)量上述黏土磚的燒制溫度，并與其實(shí)際燒制溫度進(jìn)行對(duì)比。

在高溫爐中燒制黏土磚所設(shè)置的溫度分別為700 ℃、800 ℃、900 ℃，每種燒制溫度制作2塊邊長(zhǎng)為4 cm的立方體樣品。將上述6塊黏土磚在50℃下烘箱內(nèi)烘干24 h，冷卻后將表面磨平。

圖1為燒制溫度700 ℃、800 ℃和900 ℃的黏土磚的磁化率差值的平方-溫度曲線(xiàn)圖，該曲線(xiàn)圖中第一次較大的偏差的橫坐標(biāo)即為黏土磚的燒制溫度，如圖1中箭頭所示。由于試驗(yàn)測(cè)試時(shí)每次溫度增量為20 ℃，所以，磁化率突變所對(duì)應(yīng)溫度應(yīng)該為20 ℃內(nèi)的某一溫度，本研究取增量的中間值10 ℃。

表1給出了6塊黏土磚燒制溫度的測(cè)量結(jié)果。表1所示的編號(hào)(A-B)中A代表燒制溫度，B代表該燒制溫度下的樣品編號(hào)。例如，700-1表示為燒制溫度為700 ℃的第1個(gè)樣品。

由表1可知，根據(jù)磁化率變化，測(cè)量黏土磚燒制溫度的方法，誤差較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明根據(jù)磁化率變化，測(cè)量黏土磚燒制溫度的方法可行。

表1 基于磁化率測(cè)量已知燒制溫度黏土磚的燒制溫度Table 1 Results of measuring the firing temperatures of bricks with known firing temperatures

3 平遙古城古磚的燒制溫度測(cè)量

在平遙古城的鸚鵝巷、賀蘭橋、仁義街以及城墻等處取得古磚10塊。每塊古磚切割出2個(gè)邊長(zhǎng)4 cm的立方體樣品，作為平行樣品對(duì)該塊古磚的燒制溫度進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)測(cè)試不同溫度下的磁化率來(lái)分析這10塊古磚的燒制溫度。

圖2為平遙古城古磚的磁化率差值的平方-溫度曲線(xiàn)圖，該曲線(xiàn)圖中第一次較大的偏差的橫坐標(biāo)即為古磚的燒制溫度，如圖2中箭頭所示。

圖2 以平遙古城10個(gè)磚樣為例測(cè)量古磚燒制溫度曲線(xiàn)圖Fig.2 Graphs of measuring the firing temperatures of bricks from Pingyao ancient city

需要說(shuō)明的是，圖2所示的編號(hào)(A-B)中A代表古磚編號(hào)；B代表每塊古磚切割成的樣品編號(hào)。例如，1-1和1-2分別為所取的第1塊古磚切割成的第1個(gè)和第2個(gè)樣品。

由圖2可知，平遙古城古磚燒制溫度在650～690 ℃和850～870 ℃兩個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。

在爐灶中燃燒玉米秸稈的火焰溫度實(shí)測(cè)500～700 ℃[18]。作者曾用希碼AR872D紅外測(cè)溫儀測(cè)試在空曠環(huán)境中燃燒的木材的溫度為830 ℃。

據(jù)此，推測(cè)燒制溫度為650～690 ℃的古磚是以秸稈為燃料燒制而成；燒制溫度在850～870 ℃的古磚是以木柴為燃料燒制而成。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)測(cè)試不同溫度下平遙古城黏土磚的磁化率，得到了其燒制溫度。具體而言：

1) 通過(guò)將已知燒制溫度為700 ℃、800 ℃和900 ℃的黏土磚重新加溫，測(cè)量黏土磚不同溫度下的磁化率，得到其燒制溫度分別為690 ℃、810 ℃和870 ℃?；诖呕史椒y(cè)量含有磁性礦物的黏土磚、陶瓷等的燒制溫度是可行的。

2) 利用上述測(cè)試方法，測(cè)量了平遙古城的10個(gè)古磚20個(gè)樣品的燒制溫度，發(fā)現(xiàn)古磚的燒制溫度在650～690 ℃和850～870 ℃兩個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。推測(cè)這兩種古磚分別以秸稈和木柴為燃料燒制而成。