出土現(xiàn)場木質(zhì)文物的快速無損健康評估方法研究

龐凌燕， 任 偉， 劉 輝， 李軍奇， 朱建鋒， 趙西晨， 于宗仁， 李梅英

(1.陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西省考古研究院， 陜西 西安 710054； 3.敦煌研究院， 甘肅 敦煌 736200； 4.湖南省文物考古研究所， 湖南 長沙 410008)

0 引言

文物是講述歷史的重要資料，是人類文明溯源的重要途經(jīng)，對文物進(jìn)行快速準(zhǔn)確的健康評價(jià)并據(jù)此進(jìn)行妥善保存具有重要意義[1].木質(zhì)文物是一種天然復(fù)合材料，由高分子和小分子物質(zhì)組成，極其容易受到環(huán)境侵蝕，保存狀況不樂觀[2].根據(jù)《可移動文物病害評估技術(shù)規(guī)程——竹木漆器類文物》，在木質(zhì)文物面臨的18種常見病害中，以飽水、糟朽、變色等最活動性病害最為嚴(yán)重，會對文物造成持續(xù)性嚴(yán)重?fù)p傷[3-4].

對出土木質(zhì)文物進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地健康評價(jià)是進(jìn)行文物保護(hù)的前提.常用的木質(zhì)文物健康評價(jià)方法包括直接觀察法和儀器分析法[5-7].直接觀察法是將木質(zhì)文物放置于適當(dāng)光線條件下進(jìn)行目視檢查，觀察有無飽水、殘缺等病害，這種方法簡單易行，但是其結(jié)果準(zhǔn)確程度主要依賴觀察者的經(jīng)驗(yàn)積累，在一定程度上具有主觀性.

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通常會借助儀器分析法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測.例如在評估木質(zhì)文物含水率時(shí)，主要采用烘干法、紅外光譜法和電導(dǎo)率法等.烘干法準(zhǔn)確度高，但是需要對文物樣品在103 ℃進(jìn)行烘干處理，該操作會對文物造成不可逆破壞[8]；紅外光譜法需要取少量樣品壓片，根據(jù)水的紅外特征吸收峰來判斷含水率，且需要相同樹種的紅外光譜作為參比，對于木質(zhì)文物并不十分適用[9,10]；電導(dǎo)率法可以方便快捷的直接測量出含水率，然而測得含水率與絕對含水率會產(chǎn)生較大誤差[11].在評價(jià)出土文物糟朽程度方面，最常用的是化學(xué)成分分析和顯微切片觀察法[12].化學(xué)成分分析需要破壞部分文物樣本進(jìn)行纖維素含量的化學(xué)檢測，而顯微觀察法則要經(jīng)過切片、染色、樹種鑒定和對比判斷等環(huán)節(jié)，過程相對復(fù)雜且具有較高的專業(yè)要求.

上述實(shí)驗(yàn)室分析方法均需要收集木質(zhì)文物樣本進(jìn)行化學(xué)成分、顯微結(jié)構(gòu)、纖維素降解程度等實(shí)驗(yàn)室檢測.這無疑會帶來許多問題：首先，文物取樣會造成文物本體的不可逆損壞，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室檢測耗時(shí)較長，而出土發(fā)掘現(xiàn)場的環(huán)境突變，如短時(shí)間內(nèi)的胎體失水、光照變色等，會給木質(zhì)文物造成更加嚴(yán)重的不可逆破壞.因此，探索木質(zhì)文物快速無損的健康評價(jià)方法尤為重要.

基于以上分析，本工作選取了出土現(xiàn)場對木質(zhì)文物影響程度最大的3項(xiàng)指標(biāo)：含水率、硬度和色差變化率作為健康評估因子，以墓葬常見樹種金絲楠木作為研究對象，研究了含水率、硬度和色差變化率的無損檢測方法，驗(yàn)證了各個方法的可行性和科學(xué)性，將測試結(jié)果以雷達(dá)圖方式呈現(xiàn)，最終建立一種快速、無損、可視化健康評估方法.該方法在湖南雞叫城遺址的發(fā)掘現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用示范，對出土現(xiàn)場5件木質(zhì)文物進(jìn)行了健康評估，與傳統(tǒng)評估方法表現(xiàn)出高度一致的結(jié)論.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

金絲楠木，用于木材健康測評；氫氧化鈉(分析純，天津紅巖化學(xué)試劑廠)；蒸餾水(分析純，自制).

1.1.2 主要儀器

電子天平(Secura，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)；電熱恒溫干燥箱(WHL-65B，天津市泰斯特儀器有限公司)；微鉆阻力儀(R650，上海點(diǎn)將科技股份有限公司)；木材水分儀(MD288，北京斯達(dá)沃科技有限公司)；邵氏硬度計(jì)(C型，廈門市弗布斯檢測設(shè)備有限公司)；X 射線衍射儀(XRD-6100，日本Rigaku公司，Cu-Kα輻射的波長λ = 0.154 18 nm)；色度儀(MetavueVS3200，愛色麗(上海)色彩科技有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 金絲楠木樣塊制作

將金絲楠木按照50 mm ×50 mm ×80 mm切割成6個樣塊，分別命名為第1組(1-1、1-2)、第2組(2-1、2-2)、第3組(3-1、3-2)；其中第1組不做化學(xué)處理，第2組和第3組分別在質(zhì)量濃度為10%的氫氧化鈉溶液中浸泡24 h和48 h，之后用500 mL蒸餾水超聲清洗10 min，再在烘箱中103 ℃下烘干6 h，如此重復(fù)三次，得到不同老化程度的金絲楠木樣塊.

1.2.2 金絲楠木含水率的測量

(1)絕對含水率測量

根據(jù)GB/T 1931-2009《木材含水率測定方法》進(jìn)行絕對含水率測量.將6個樣塊分別在500 mL蒸餾水中浸泡12 h，取出后擦拭表面水分，用電子天平稱量樣塊質(zhì)量，之后放入103 ℃烘箱進(jìn)行干燥處理，每間隔1 h使用電子天平稱量樣塊質(zhì)量，每次稱量質(zhì)量記為mabs；當(dāng)相鄰兩次稱重之間的質(zhì)量差不超過樣塊質(zhì)量的0.5%，即可結(jié)束稱量，記錄最后一次稱量質(zhì)量為m0，根據(jù)公式(1)計(jì)算樣塊在各個失水階段的絕對含水率：

wabs=[(mabs-m0)/m0]×100%

(1)

(2)表觀含水率測量

使用MD288型微波木材含水率儀進(jìn)行測定.在測量絕對含水率時(shí)，每次用電子天平稱量樣塊質(zhì)量之后，立即用含水率儀壓緊樣塊表面進(jìn)行表觀含水率的測量，數(shù)值記為wre；注意測量時(shí)應(yīng)將含水率儀調(diào)節(jié)至1檔，且保持3個觸頭同時(shí)緊貼在樣塊表面，為保證測量數(shù)值的準(zhǔn)確性，需在樣塊的不同位置重復(fù)測量3次后取平均值.

(3)金絲楠木硬度與強(qiáng)度測量

每次在測量相對含水率之后，立即用邵氏硬度計(jì)(C型)測量樣塊硬度，將樣塊置于水平位置，將半球形鋼制壓足垂直壓入試樣的表面，當(dāng)壓足和試樣的表面完全貼合時(shí)，讀取儀表盤顯示的硬度值[13].在樣塊不同位置重復(fù)測量3次取平均值.另外，在所有測試完成之后，用微鉆阻力儀順著樣塊8 cm邊方向測量1-1、2-1和3-1的體相阻力，作為體相強(qiáng)度的衡量依據(jù)，用以評估硬度與強(qiáng)度的相關(guān)性.

(4)金絲楠木色度測量

首先測量未經(jīng)任何處理的金絲楠木作為基準(zhǔn)；每2 h將樣塊置于色度儀的樣品臺，進(jìn)行測度測量，記錄ΔE作為色度變化值；注意在首次測量后應(yīng)作簡單標(biāo)記，后續(xù)每次的色度測量均在相同位置進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

本研究擬用無損的表面硬度測試、表觀含水率測試方法代替有損的體相強(qiáng)度測試和熱失重絕對含水率測試.因此首先研究表面硬度與體相強(qiáng)度的關(guān)系，以及表觀含水率與絕對含水率的關(guān)系.

2.1 表面硬度與體相強(qiáng)度的對應(yīng)性分析

木質(zhì)文物的體相強(qiáng)度是決定其能否正常發(fā)掘的主要因素.首先，通過微鉆阻力儀對樣塊1-1、2-1、3-1進(jìn)行強(qiáng)度測試.微鉆阻力儀主要利用微型鉆針在電動機(jī)的驅(qū)動下，以恒定的前進(jìn)速率和旋轉(zhuǎn)速率鉆刺入木材內(nèi)部，記錄相對阻力值并以阻力曲線形式測量路徑上木材內(nèi)部的密實(shí)度狀況，是基于無損檢測方法對木材力學(xué)性能進(jìn)行快速預(yù)測的有效手段[14,15].測試結(jié)果如圖1所示，在3個樣塊中，未經(jīng)過氫氧化鈉處理的1-1表現(xiàn)出了最高強(qiáng)度，2-1、3-1的強(qiáng)度依次降低.這可能是由于樣塊2-1和3-1在氫氧化鈉溶液中浸泡時(shí)間增加，非結(jié)晶態(tài)的纖維素在堿性條件下發(fā)生水解造成的.

圖1 金絲楠木樣塊1-1、2-1、3-1的體相強(qiáng)度測試

XRD圖譜也可以在一定程度上說明樣塊中纖維素的減少，如圖2所示，22 °的衍射峰通常為結(jié)晶纖維衍射峰，15 °～20 °之間的衍射峰為非結(jié)晶態(tài)纖維素[16]，若將1-1、2-1、3-1在22°的衍射峰進(jìn)行歸一化處理，可以發(fā)現(xiàn)在15 °～20 °之間的非結(jié)晶態(tài)纖維素衍射峰逐漸降低，這意味著非結(jié)晶態(tài)纖維素的逐漸流失，纖維素的分解與流失是導(dǎo)致木材強(qiáng)度降低的根本原因.通過微鉆阻力實(shí)驗(yàn)輔以XRD實(shí)驗(yàn)基本可以說明上述3個樣塊的強(qiáng)度順序?yàn)?-1>2-1>3-1.

圖2 金絲楠木樣塊1-1、2-1、3-1的XRD圖譜

圖3為表面硬度測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著加熱時(shí)間增加，所有樣塊的表面硬度都有所增強(qiáng)，這可能是由于樣塊中水分的減少導(dǎo)致纖維素排列致密造成的；樣塊1-1、2-1和3-1的初始表面硬度分別為93 HC，90 HC和81 HC，經(jīng)過11 h的處理后，最終表面硬度分別可以達(dá)到96 HC，94 HC和92 HC，表面硬度順序符合1-1>2-1>3-1，與微鉆阻力儀所測試的體相強(qiáng)度相一致，說明了以無損的表面硬度評估代替有損的體相強(qiáng)度測試的方案是可行的.

圖3 樣塊1-1、2-1、3-1的表面硬度測試

2.2 絕對含水率與表觀含水率的多元擬合轉(zhuǎn)換

通過微波含水率儀可以快速測得木質(zhì)文物的含水率，但是該測試含水率wre與熱失重法測得的絕對含水率wabs之間存在一定的差異，因此，獲得測試含水率與絕對含水率之間的對應(yīng)關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)含水率的快速、無損、準(zhǔn)確檢測的基礎(chǔ).表1分別為樣塊1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2的表觀含水率、絕對含水率和硬度測試結(jié)果.

表1 金絲楠木樣塊的絕對含水率、測試含水率和硬度的對應(yīng)關(guān)系

續(xù)表1

直接對表觀含水率wre和絕對含水率wabs的關(guān)系進(jìn)行二元擬合發(fā)現(xiàn)，在同一樣塊中，隨著表觀含水率的升高，絕對含水率的確會相應(yīng)增加；但是在不同的測試樣塊中，二者并不具有準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示.

圖4 絕對含水率與表觀含水率的二元擬合曲線

例如，樣塊1-1第2小時(shí)測試表觀含水率為25.4%，對應(yīng)絕對含水率為40.9%，然而樣塊3-1在第6小時(shí)測試表觀含水率為25.5%時(shí)，其絕對含水率則高達(dá)66.9%，因此，僅通過表觀含水率無法準(zhǔn)確獲得絕對含水率.這是由于木材的絕對含水率在很大程度上還會受到木材糟朽程度的影響，絕對含水率應(yīng)該體現(xiàn)為表觀含水率和強(qiáng)度綜合影響的結(jié)果[17].為了更準(zhǔn)確的表達(dá)絕對含水率與表觀含水率的關(guān)系，以表觀含水率wre、硬度y作為自變量，絕對含水率wabs作為因變量進(jìn)行三元擬合，發(fā)現(xiàn)三者符合多元線性回歸方程(2)所描述的關(guān)系(圖5)，該方程對應(yīng)的線性系數(shù)R2=0.990，說明方程(2)具有較高的擬合優(yōu)度，可以較為準(zhǔn)確地描述金絲楠木樣塊的絕對含水率與表觀含水率及硬度之間的關(guān)系.

wabs=0.54×wre-3.44×y+315

(2)

圖5 絕對含水率與測量含水率、硬度的三元擬合曲面圖

上述研究證明，通過含水率儀和邵氏硬度計(jì)可以快速、無損地完成金絲楠木樣塊的表觀含水率及表面硬度的測試，借助方程(2)則可以進(jìn)一步將表觀含水率和硬度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成絕對含水率，從而避免了使用熱失重法直接對木質(zhì)文物進(jìn)行的絕對含水率的檢測，盡量減少了對文物的不可逆破壞.

2.3 色差變化率分析

圖6給出了樣塊1-1，2-1和3-1在10個小時(shí)內(nèi)的色度照片，可以看出各個樣塊顏色變化均不明顯，裸眼難以分辨.圖7為色差值△E隨時(shí)間的變化，可以看出各樣塊的色差值均不超過1 NBS，且變化率小于0.1 NBS/h，因此，均屬于微小色差，說明樣塊的顏色較為穩(wěn)定，不易受環(huán)境影響.

圖6 樣塊1-1、2-1、3-1的色度圖

圖7 樣塊1-1、2-1、3-1的色差變化率

2.4 樣塊的健康評估雷達(dá)圖

通過綜合分析金絲楠木的正常含水率、飽水含水率、正常硬度、糟朽硬度以及色差與視覺閾值[18-20]，將硬度、含水率和色差變化率3個指標(biāo)進(jìn)行分段賦分，賦分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示.

表2 金絲楠木各健康因子的得分指數(shù)

將樣塊1-1，2-1和3-1的硬度、含水率、色差變化率分別按照表2進(jìn)行賦分，結(jié)果列于表3并繪制雷達(dá)圖(圖8)，圖中對應(yīng)面積越大的樣塊，健康程度越高，可以看出3個樣塊的健康狀況均很好；其中樣塊1-1健康狀況最佳，而樣塊3-1保存狀況稍差，主要應(yīng)關(guān)注硬度和含水率問題.

表3 樣塊1-1，2-1，3-1各健康因子得分

圖8 樣塊1-1，2-1和3-1的健康評價(jià)雷達(dá)圖

值得注意的是，由于不同樹種其含水率與本征硬度差別較大，因此對于不同材質(zhì)的木質(zhì)文物，表觀含水率與絕對含水率的代換公式(方程(2))不同，表2各健康因子的得分指數(shù)也不一樣，應(yīng)根據(jù)具體的樹種制定相應(yīng)的代換公式和得分指數(shù).

2.5 雞叫城遺址的實(shí)際應(yīng)用

依托湖南雞叫城遺址現(xiàn)場的大量金絲楠木的木質(zhì)構(gòu)件對該方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，所得數(shù)據(jù)列于表4，雷達(dá)圖展示結(jié)果如圖9所示.

表4 雞叫城遺址各木質(zhì)構(gòu)件得分

圖9 雞叫城遺址木質(zhì)構(gòu)件的健康評價(jià)雷達(dá)圖

在選取的5個木質(zhì)構(gòu)件中，1～4號構(gòu)件保存狀況優(yōu)良，可以正常發(fā)掘，其中1號構(gòu)件表現(xiàn)出較大的色差變化，在發(fā)掘過程中應(yīng)當(dāng)注意盡量避光；5號構(gòu)件保存狀況較差，含水率和硬度提示該構(gòu)件糟朽較為嚴(yán)重，在提取過程中應(yīng)當(dāng)注意機(jī)械加固和保濕，以防發(fā)掘過程出現(xiàn)斷裂或者失水過快導(dǎo)致干縮和開裂.上述結(jié)論與實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果高度吻合.

3 結(jié)論

本工作通過微鉆阻力實(shí)驗(yàn)、XRD測試和表面硬度測試證明了木質(zhì)文物的表面硬度可以在很大程度上反映體相強(qiáng)度；完成了表觀含水率和表面硬度對絕對含水率的多元擬合，建立了依托無損檢測方法的健康評價(jià)方法體系.在湖南雞叫城遺址對5件木質(zhì)構(gòu)件的評價(jià)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)論高度一致，說明了該方法的科學(xué)性與可行性，同時(shí)該方法可以實(shí)現(xiàn)快速、無損檢測，適合于珍貴木質(zhì)文物的健康評估.該工作可以對發(fā)掘現(xiàn)場木質(zhì)文物乃至其他材質(zhì)文物的快速高效評估與針對性保護(hù)研究提供一定的思路.