秦陵陪葬坑土遗址安全含盐量探究

易溶盐反复结晶产生的体积膨胀,会对土遗址特别是土遗址表面迹象造成破坏,因此,以易溶盐的含量多少判断其干预时机就显得尤为重要。本研究就易溶盐含量对秦陵陪葬坑土遗址的影响,开展安全含盐量问题的探究。将Na2SO4/Na Cl质量比为1∶1混合盐掺入重塑土样中,经气候箱老化后,利用超景深显微镜测定盐胀面积判断土样被破坏的程度,结果表明含盐超过0.1%,就会导致盐胀面积突然增加,这一指标的获得以及本次实验研究中提出的利用超景深显微镜测定土壤表面盐胀面积评估盐害的方法,为土遗址开展进一步的预防性保护工作提出了初步依据和新的研究方法。     

大雁塔和法门寺砖材保护研究

大雁塔和法门寺塔这两座佛教名塔都表现出明显的风化现象,需要及时的给于保护。通过X-射线衍射分析、岩相显微镜分析及孔隙度的测定,分析了大雁塔和法门寺两座佛教名塔的风化特征。在此基础上,用几种不同的加固保护剂对两种砖材进行加固保护研究。通过渗透深度、孔隙度、毛细吸水和毛细渗透、持水量、透气性、水力学膨胀、等温吸附、抗压强度及酸腐蚀、冻融、热膨胀之后的强度衰减等参数分析,结果表明含氟聚合物对两种砖材具有良好的加固保护效果。     

故宫墙体返碱问题初探

故宫古建筑修砌一新的墙体常析出大量白色盐粉,这种现象被称为"返碱"。大量出现的返碱现象不但大大影响了故宫建筑群的修缮效果和整体美感,而且造成了砖材表面的酥软、脱落的病害,甚至可能对墙体的稳定性与安全性造成了影响。因此,为了解决这个亟待处理的问题,分析研究其产生的原因就显得十分重要。本研究通过化学分析和各种现代仪器分析手段对故宫古建筑不同位置的返碱物质,不同产地、年代的青砖样品,灌浆材料样品,制砖原料、燃料的样品进行了定性和定量分析,证实墙体返碱物质主要成分为Na₂SO₄和K₃Na（SO₄）₂,并利用分析结果对产生这一现象的原因进行了初步探讨。     

SO2与水分综合影响下的云冈石窟砂岩劣化研究

气体污染物SO₂是造成云冈石窟文物本体劣化的重要因素之一。为厘清SO₂与水分耦合作用下的云冈砂岩劣化规律，开展不同SO₂浓度、相对湿度以及降水条件下的室内模拟风化试验，测定试样质量、表面特征和化学成分变化。结果表明：SO₂易与砂岩中的碳酸盐矿物(如方解石)和长石发生化学反应，产物包括CaSO₄·2H₂O、MgSO₄·7H₂O和高岭石等，且随着相对湿度增加，反应程度增大，造成试样的质量、色差值、可溶盐含量上升及硅铝比下降；液态水的参与能显著加快SO₂与砂岩的相互作用过程，不但增加了各项指标的变化幅度，还加大了SO₂入侵深度。研究成果可为砂岩质文物的科学认知和预防性保护提供参考。     

结合热力学对古建筑墙体砖(雕)风化侵蚀机理探究

为了揭示古砖的风化侵蚀机理,采用X射线衍射法(XRD)、X射线荧光光谱法(XRF)、扫描电子显微镜观察(SEM)进行微观结构分析,结合压汞仪测试孔的性质,并使用热力学软件(HSC)对砖内的化学反应进行验证。研究结果表明:对于靠近地面一定高度内的古建筑墙体砖,地下水及离子通过砖内的毛细管网络不断向上部和表面进行迁移,在砖内可溶性盐类的结晶以及水结冰时产生的压力是造成墙体砖风化破坏的主要因素;对于NO X、SO 2浓度较高、酸雨较多的地区,酸性物质进入砖体并与钾长石,钠长石等发生反应形成新的盐类,盐的结晶、溶解、流失也是导致古砖破坏的一个不可忽略的因素,尤其是对于地下水无法渗透到的墙体砖,这些可能成为主要的物理化学损毁因素。本研究为古砖以后的保护提供了一种新的研究思路以及科学的理论基础。     

硫酸盐与氯化物对壁画的破坏性对比研究——硫酸钠超强的穿透、迁移及结晶破坏力证据

莫高窟壁画酥碱病变的可溶盐主要为NaCl和Na2SO4,其中Na2SO4是破坏性最严重的盐。为此,以莫高窟壁画典型盐害为模拟对象进行仿真试验研究,重点研究Na2SO4盐在温度交变、干湿循环作用下对砂砾岩、地帐层的剥蚀破坏和强度的影响。结果表明,Na2SO4具有超强的穿透、迁移能力及结晶破坏能力,其结晶行为机理及壁画损害表现形式与氯化钠有很大不同。Na2SO4引起的试块膨胀和剥蚀破坏随着Na2SO4浓度和干湿循环次数的增加明显增大。气象条件中,32.4℃以下的温度区间的温度变化及40%以上的干湿度循环交变,是造成病害加剧的主要因素。盐涨试块强度测试表明,盐的结晶对壁画基体材质砂砾岩的强度损害是非常大,常见不可逆的粉末状酥碱及粒状剥离。研究结果可为正确保护壁画作理论探索时参考。     

冻融作用对古青砖宏观性能及微观结构劣化的影响

砖质文物建筑多数处于室外工作环境,其损伤呈现出冻融循环条件下的物理风化和材料水解条件下的化学风化联合作用破坏形态,致使古青砖文物面临着严重的环境侵蚀风化问题。为此,以古建筑青砖为研究对象,通过对6组试样分别进行0,15,30,45,60和75次冻融循环试验,分析冻融循环次数对古青砖的孔洞率、质量、抗压强度的影响规律。在此基础上,通过TEM(透射电子显微镜)扫描探讨了冻融作用对古青砖微观结构的损伤过程及劣化机理。结果表明:随着冻融循环次数的增加,古青砖的孔洞率、质量损失率以及强度损失率均增大;TEM扫描发现冻融对古青砖造成了明显的微观孔隙结构损伤,特别是75次冻融循环后该损伤明显激增。同时,利用XPS(X射线光电子能谱仪)测试古青砖化学成分的组成,说明青砖体内碳酸盐等可溶性盐类的晶体水解造成青砖的微观孔隙结构损伤,是其遭受化学风化作用的主要原因。     

北石窟寺表面防风化材料筛选

甘肃石窟分布广泛,洞窟大多开凿在砂岩上。在长期自然环境作用下,砂岩石窟表面风化严重,有部分区域甚至风化成砂土,砂岩石窟浅表层风化防治将成为重要的研究方向。本工作针对北石窟寺砂岩典型风化病害,选用0.5%羟甲基纤维素、5%砂岩加固材料、1.5%有机硅改性丙烯酸、1.5%丙烯酸、20%纳米SiO₂、10%正硅酸乙酯、3%PS共7种保护材料,基于室内试验测试这些材料的防风化性能,以加固前后宏观和微观特征进行定性描述,以色度、体积变化率、波速、表面硬度、抗压强度、透气性和吸水性作为加固定量评价指标,优选出砂岩加固材料、有机硅改性丙烯酸、纳米SiO₂、PS和正硅酸乙酯作为北石窟砂岩表面防风化加固建议材料。研究结果为北石窟寺砂岩质石窟表面防风化技术研发与应用积累了基础研究数据。     

烧制温度对红砖物理力学性质的影响

在多年自然营力作用下,有些古建筑的砖体正遭受着严重的风化破坏,亟需修复和加固。为此,通过试验,研究烧制温度对红砖物理力学性质的影响,以期为古建筑修复和保护提供理论参考。利用模具手工制作边长为5 cm的立方体黏土砖。利用高温炉分别在700、800、900、1 000和1 100℃的温度下烧制成红砖。然后,测试不同烧制温度下红砖的块体密度、颗粒密度、开孔孔隙率、总孔隙率、常压吸水率、饱和吸水率、毛细吸水系数、纵波波速、孔径分布、单轴抗压强度。结果表明,烧制温度会影响物理力学性质,但物理力学性质并非随着烧制温度的增加而改善。烧制温度为1 100℃时砖的性能最优,烧制温度为800℃和900℃时砖的性能中等,烧制温度为700℃和1 000℃时砖的性能差。本文分析了烧制温度为1 000℃时红砖的物理力学性质差的原因。研究结果可为古建筑修复和保护提供理论参考。     

几种商用保护材料对模拟秦俑陶胎的加固和防盐风化性能研究

目前对古代陶胎的研究多集中在加固材料的筛选及其保护效果评估上,普遍缺乏深入的保护机理的研究,尤其保护材料对陶胎盐风化的影响及其机理研究在国内更是罕见。因此,本实验选用TEOS(正硅酸乙酯)、Paraloid B72和WD10对模拟古代秦俑陶胎进行了加固和防盐风化保护研究。重点观察了不同材料处理后陶胎样品表面盐结晶的形貌,并对其形成机理进行了探讨。最后对Paraloid B72在耐盐实验中出现的保护性破坏现象给予关注。结果显示,TEOS处理后陶胎的抗压强度得到提高,但对陶胎的耐盐性能没有改善;Paraloid B72处理后,陶胎颜色加深,耐盐实验中处理陶胎出现了严重的盐风化。WD10处理后陶胎的耐盐性能显著增强。对盐结晶的微观形貌研究初步揭示,保护材料能够对陶胎表面进行改性,不同的憎水性和渗透性会显著影响盐结晶的微观形貌,进而会带来不同类型的盐风化。本研究结果启示文物保护工作者必须深入了解各种保护材料的优缺点,根据被保护文物的具体实际需求,慎重开发和选择保护材料,以避免保护性破坏现象的出现。     

A Comparative Study on the Compressive Strength of Bricks from Different Historical Periods

The aim of this article is to present the results of compressive strength tests for bricks from different historical periods. The studies were conducted on hand-molded and mechanically formed bricks. The bricks that were used for the studies came from historical structures from the center of the royal city of Crakow. Compressive strength was determined on rectangular prisms and on cylinders cut out from bricks in various directions—anisotropy and shape effects were then analyzed.

?The basic aim of the conducted studies was to estimate the possibility of carrying out the strength tests on relatively small samples and re-calculating these results on normalized brick strength determined according to EN772–1. Based on the tests results, a range of correlation coefficient values for cylinder samples with diameters of 30 mm and 50 mm was given. It was indicated that for the tested historical bricks characterized by significant material non-homogeneity within the element and sensitivity to damages while cutting out the samples, correlation coefficients are higher than for bricks used contemporarily.

?The results of these studies are presented alongside the findings from existing studies on the compressive strength of bricks.     

Soluble Salts Amplify the Effect of Small Heterogeneities in the Structure of Porous Building Materials During Drying

Salt crystallization is a major cause of degradation in old buildings. One of the issues that stills need clarification is regarding the influence of the salts on the capillary absorption and subsequent drying of porous building materials. This article presents an experimental study that included capillary absorption and evaporative drying tests on two types of material (lime mortar and ceramic brick) using pure water or saturated solutions of six salts (sodium chloride, sodium sulfate, sodium nitrate, sodium carbonate, potassium nitrate, or potassium carbonate). The results of capillary absorption agree only roughly with the linear relationship, predicted by theory, between sorptivity and the square root of the ratio between viscosity η and surface tension σ of the solution (σ/η)^1/2. This poor agreement is probably due to material heterogeneity. The drying dynamics was regular and showed little dispersion between specimens, but only for the uncontaminated materials. Indeed, the drying dynamics of the salt contaminated materials was often irregular or diverged among similar specimens, and the same happened with their salt decay patterns. The main conclusion is that soluble salts can amplify the effects on drying of the small structural heterogeneities that porous building materials normally depict.     

土质文物盐害中硫酸钠的研究——从微观到宏观

土遗址和壁画遗址可溶盐主要为NaCl和Na_2SO_4,其中Na_2SO_4是破坏程度最严重的盐。一般认为,硫酸钠只有在温度、湿度变化时才不稳定,才发生得失结晶水引起的晶型及体积变化。为研究土质文物盐害的形成机制及内在原因,调研了全国几处典型土遗址和壁画遗址的盐害状况并取样分析。分析发现:1)土遗址和壁画遗址中硫酸钠的形貌、结构是动态变化的(无论在任何极端干燥环境甚至真空条件下);2)环境因素如温度、相对湿度的变化只是加剧上述变化进程。硫酸钠结晶析出时,其体积膨胀约4倍。这一系列的过程,深刻影响着硫酸钠的相变复杂性和对依存土质文物本体的破坏性。本工作从微观和宏观两个层面探讨了这些发现,并通过不同盐分(不同浓度氯化钠、硫酸钠)侵蚀破坏模拟试验、不同温度条件下模拟试验、不同相对湿度下模拟试验,从宏观层面印证了上述微观机制在土遗址和壁画遗址本体的外在表现。本研究发现土遗址中硫酸钠的形貌、结构是动态变化的,该工作弥补了以往研究和认识上的局限。本研究将对阻止、延缓及预测土质文物盐害的发生、发展提供科学参考。     

气候对中国古代塔砖材料性能劣化影响的研究

在气候影响下,塔砖材料性能的劣化加剧了中国古塔结构的损伤,减少了古塔的结构寿命。为此,课题选择两个极具代表性的中国古代砖塔—1500年历史的嵩岳寺塔和1200年历史的法王寺塔进行同一性研究,欲证明两塔在地理位置、环境气候、形制、塔体古砖制造原料和制造工艺等方面均具有很强的相似性和同一性。采用X射线荧光光谱法分析了两塔塔砖的材料成分,采用压汞法对两塔塔砖材料的孔隙率、孔隙结构和孔隙分布特征进行了实验。两塔塔砖材料实验结果的差异证明:在公元5世纪到公元8世纪的300年气候影响下(该气候为自然营力而非实验室人工模拟),塔砖材料孔隙率的增大是导致中国古代塔砖性能劣化的主要原因,大约30%左右的孔隙从小于1000nm孔径发展扩大到10000～50000nm孔径是塔砖材料孔隙率增大的主要表现形式。因此,预防小孔径孔隙(小于1000nm)在气候影响下发展扩大的防治措施应该成为中国古代砖塔保护工作的研究重点。同时,对因塔砖材料性能劣化而产生的古塔塔体的表观特征进行了分析,分析结果有利于中国古代砖塔的保护。     

Mineralogical and Mechanical Properties of Masonry and Mortars of the Lucknow Monuments Circa the 18th Century

The Lucknow monuments of the 18th century are large masonry structures built using thin burnt-clay bricks (Lakhauri) and lime-crushed brick aggregate (surkhi) mortars. Investigations were carried out to characterize the engineering properties of old masonry materials and new mortars being used for renovation work. Mechanical properties of reclaimed Lakhauri bricks were found comparable to good quality contemporary bricks of the region. Moreover, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy–energy dispersive X-ray spectrometry (SEM-EDS) analyses indicated that mineralogical composition is not too different, except for few minerals. The lime-surkhi mortar used in old masonry work was found to be lime-rich with binder to aggregate ratio of approximately 1:2 to 3 by volume. The renovation mortar had poor hydraulic property as compared to old mortars indicated by thermal gravimetric analysis–differential thermal analysis (TGA-DTA) analyses. The compressive behavior of multi-wythe recreated Lakhauri masonry prisms was characterized with low compressive strength, low modulus, and significant deformability which result in lower stress demands imposed on the structural assemblages by various environmental forces.     

劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究

许多濒危石质文物表层劣化现象严重。但是,以往使用的表层加固材料很难令人满意,探索新的疏松岩石表层加固材料已是当务之急。由于天然生物矿化物耐候性优越,与基底岩石相容性良好,具有较好的加固作用,本工作依据生物矿化的原理,以不同生物大分子溶液作为有机模板,分别控制草酸钙、磷灰石和碳酸钙过饱和溶液于室温下在疏松岩石仿制样品的表层及孔隙内结晶生长。通过抗压强度、表面硬度和耐水浸泡等试验进行了加固效果评价,以考察仿生物矿化材料对含钙疏松岩石的加固能力。实验结果表明,仿生合成的生物矿化材料均具有一定的加固效果,其中以磷灰石仿生矿化材料的加固强度最大,以硫酸软骨素为模板的加固效果为佳。并且,在考察的3种加固方式中,以"直接混合"的加固强度更好,以"表面渗透"的耐水浸泡能力更强。本工作为开发濒危石质文物表层加固材料提供了新的思路。     

典型硫酸盐环境中砖质文物的脱盐与加固材料

中国保存有众多砖质文物建筑,目前这些文物多处于户外环境中,面临严重盐害导致的掏蚀损毁问题。因而,研究兼具脱盐功能的加固材料成为砖质文物等保护的一种创新思路,加固材料的研制和工艺技术的开发是其重点和难点,具有重大的社会需求和急迫性。为此,本工作从可溶性盐的破坏机制出发,研究出一种双组分无机加固材料,加固方法是Ba(OH)_2甲醇溶液与H_2C_2O_4、H_3PO_4乙醇溶液交替滴加,并模拟可溶性盐(NaCl、KCl、Na_2SO_4)分布的典型环境,进行加固、除盐,借助X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱仪(XRF)和无线阻尼抗钻仪等现代科学仪器,追踪盐的流出与转化过程。结果表明,本材料不仅能够加固模拟样品,同时能对最具破坏性的盐Na_2SO_4实现不可逆转化,生成重晶石的主要成分BaSO_4,加固与脱盐一次完成,是一种具有实际应用潜力的新材料。