西北干旱区土遗址泥敷脱盐试验研究

林波 王旭东 杨善龙 郭青林 陈雨 李凤洁

内容摘要：本研究首次引入欧洲在砖石类遗址保护领域中应用已久的泥敷脱盐法作为预防性干预措施，对选定的2组泥敷脱盐材料的特性进行测试，并分别组合成4组脱盐泥敷材料，对模拟试块进行脱盐处理。结果表明：膨润土的吸水能力和保水能力优于细粒土，BC1000纤维素的释水速度及干燥速度均快于普通纤维素。组合成的4组脱盐材料的脱盐能力各不相同：细粒土加上普通纤维素脱去Cl-1和SO2-4的能力最优；膨润土加上普通纤维素和细粒土加上普通纤维素脱去SO2-4的能力远胜于它们脱去Cl-1的能力；膨润土加上BC1000纤维素和细粒土加上BC1000纤维素脱去Cl-1和SO2-4的能力相当。

关键词：干旱；土遗址；泥敷脱盐

中图分类号：K.854.39 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2014）04-0127-08

一 引 言

土遗址是人类在历史进程中以土为建筑材料创造的、具有文物价值的遗迹[1]。我国的土遗址数量众多，分布广泛，尤以西北五省居多，其中具有代表性的有西夏王陵、锁阳城、交河故城等等。这些土遗址正遭受着自然营力和人为破坏的威胁，其中盐类风化是造成片状剥离、掏蚀、酥碱等病害的主要原因之一[2，3]。对于由盐类风化造成的轻微病害，如表层片状剥离、表层起甲等，工程上通常采用PS加固技术进行治理[4]；对于严重到无法恢复病害区原状的病害，如墙体根部严重掏蚀、凹进并已威胁到墙体稳定性的病害，主要使用脱盐灰土和碎石等材料，按照一定比例制成土坯膏体进行砌补或者夯补，必要时辅助化学浆液加固或者锚杆加固等手段[5]。这些抢救性的干预措施大多是在盐类风化已经产生破坏之后实施的，往往会对土遗址的结构和外观造成不利的影响[6，7]。因此，积极引进国外砖石类遗址脱盐处理措施中最常用的泥敷脱盐法，以之为预防性的干预措施，不仅能丰富我国文物工作者对土遗址采取预防性干预措施时的选择，而且筛选出和土质文物类似的黏土质无机材料作为脱盐材料也与文物修复的基本原则相符。同时这也是国内土遗址保护领域中脱盐研究的首次尝试。

泥敷脱盐法作为国外砖石类遗址脱盐处理措施中最常用的手段之一，以其高效、经济和最小干预的优点被广泛应用于遗址保护领域，并取得了丰硕的成果[8-10]。泥敷脱盐法指的是将一定含水率的泥敷剂膏体覆于遗址表面并使之保持一段时间，让水分进入到物体浅层并溶解易溶盐，在随后的干燥过程中，由于泥敷剂膏体和遗址表层的干燥行为及盐分浓度的不同，易溶盐会随着水分由遗址表层进入到泥敷剂并结晶滞留，从而实现脱盐的方法。泥敷脱盐法的优点之一是导入到遗址浅部的水分少，且脱盐周期往往只需数天即可完成，脱盐处理后的遗址表面可迅速干燥。但这种脱盐过程往往需要重复几次才能得到满意的结果。

二 实验准备及过程

室内泥敷脱盐研究的步骤是：将试验用土进行水洗脱盐，得到脱盐土；根据实测土遗址中的盐分赋存状况选定混合盐，然后将脱盐土和混合盐按照一定的比例混合，并添加定量的水分，将混合物搅拌均匀后制成模拟试块；以充分干燥后的模拟试块为待脱盐土体，然后利用选定的4组脱盐材料对模拟试块进行脱盐试验。

2.1 待脱盐试块的制备

2.1.1 试验用土

本次试验选用敦煌市杨家桥乡兰州村的田间土作为试验用土，选用敦煌安吉尔公司生产的纯净水作为水洗脱盐的溶剂。经过4次洗涤、沉淀后，量取洗土溶液的上清液进行检测。当测得的常见易溶盐离子的含量均低于0.03%时，即可认为此时试验用土内的易溶盐已经全部脱去。

2.1.2 混合盐选定

对西北地区具有代表性的4处土遗址（嘉峪关长城、玉门汉长城、瓜州锁阳城、吐鲁番交河故城）的盐分总量的统计表明，这4处土遗址的总含盐量均小于5.5%；对西北地区具有代表性的12处土遗址内的易溶盐含量的测试结果表明，每处土遗址内Na+、Cl-1、SO2-4的总含量均超过50%，近一半的土遗址内三种离子的总含量超过了75%。对具有代表性的19处土遗址内实测的Cl-1和SO2-4所占的百分比进行统计，分别计算出Cl-1和SO2-4的比值，并以此比值作为衡量NaCl和Na2SO4相对含量的参考标准。结果表明，对这19处的Cl-1/ SO2-4含量取平均值后，二者的比值在0.5左右。

综上所述，模拟试块内的盐分应符合如下要求：所加盐分为NaCl与Na2SO4的混合盐，且二者的质量比为1：2，同时混合盐的总含量应低于5.5%。

2.1.3 试块制作

本次制样共称取脱盐干燥土4.8kg，所加盐分总质量为185g，其中 NaCl和Na2SO4的含量分别为62g和123g，二者质量比约1：2。由计算可知，模拟试块中总含盐量的理论值约为3.7%。制样时将脱盐土和混合盐充分混合，加水约700ml，将混合物充分搅拌，利用土遗址制样机压制成试块，再将压好的试块立即放到电热恒温鼓风箱里烘24h。其中在80℃下烘4h，在105℃下烘20h，最后得到22个高度为3.1±0.1cm、直径为7cm的圆柱状干燥脱盐试块。由此可知，理论上平均每个干燥脱盐试块含NaCl 约2.8g，含Na2SO4约5.6g，合计8.4g。忽略制样过程中由于搅拌不均等因素带来的误差，假定2.8g NaCl和5.6g Na2SO4在圆柱体干燥试块内是均匀分布的。选取若干干燥情况较好的试块，利用宽胶带将试块四周以及底面密封，露顶面，用作试验试块。

试验采用上海精宏实验设备有限公司生产的DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱、由敦煌研究院和河南知信工程机械制造有限公司联合研制的土遗址制样机。

2.2 脱盐材料的特性测试

在泥敷剂中主要发挥吸水功能与释水功能的材料分别称为吸水材料与释水材料。吸水材料除了具备吸水功能之外，还具备一定的释水功能，只是其吸水能力大于释水能力，所表现出来的综合特性为吸水，释水材料亦是如此。泥敷剂作为一种辅助性的修复材料，通常应具备以下功能：保持一定量的水分，以便与遗址表层之间建立水力联系；能将水分释放到遗址表层，以便溶解盐分；能将遗址表层的水分吸收出来，并将溶解的盐分一同带出来。

根据《中国文物古迹保护准则》第1章总则第6条“研究应当贯穿在保护工作全过程，所有保护程序都要以研究的成果为依据”的原则，遵照第3章总则第22条“按照保护要求使用保护技术。独特的传统工艺技术必须保留。所有的新材料和新工艺都必须经过前期试验和研究，证明是最有效的，对文物古迹是无害的，才可以使用”的要求，对我国西北地区的土遗址进行脱盐试验研究时，针对西北地区土遗址的自身状况和赋存环境，以欧洲国家实践已久且卓有成效的脱盐材料为基础，选定膨润土和细粒土为吸水材料，选定普通纤维素和BC1000纤维素为释水材料，脱盐材料的参数如表1所示。

2.2.1 吸水材料的特性测试

吸水性测试：将2个试块的表层用等量的水分预湿后，分别将粉末状的膨润土和细粒土用导水纸包裹起来，均匀敷贴于试块表面，并施加相同的压力，使吸水材料和试块表面紧密接触，每间隔一定时间就称量试块质量的变化，并计算出试块减少的质量，用减少的质量来衡量膨润土（细粒土）对遗址土体的吸水能力，测试结果见图1。

由图1可知，大约在吸水之后的1h内，细粒土的吸水量略大于膨润土。1h过后，膨润土的吸水量开始反超，直到测试结束。截至测试结束的36h内，膨润土和细粒土各自所吸的水分含量分别为5.41g和4.5g。试块预湿所用水量为8ml，即为8g。计算可得膨润土吸收了67.6%的水，细粒土吸收了56.3%的水，即二者均吸收了超过50%的水量，前者吸水能力优于后者。

干燥性测试：称取等量的膨润土和细粒土，分别缓慢加水将二者调和至塑性状态，记下此时各自的用水量，然后置于室内环境中让其自行干燥。每间隔一定时间就测试二者的质量变化，用减少的质量来衡量二者的干燥特性。由于拌制25g的膨润土和25g的细粒土所需水量分别为11ml和7ml，所以二者的失水性应按各自失水量的百分比来比较。即在测试时间段内，计算出膨润土和细粒土所失去水分的质量与各自加水量之比值的百分数，并将这个百分数定义为膨润土和细粒土的失水率，测试结果见图2。

从图2可以看出，达到塑性状态的膨润土和细粒土有类似的失水趋势。二者在最初的24h内水分都迅速散失，失水曲线陡直，并于24h左右达到大约相同的失水率。不同之处在于，24h内细粒土的失水率一直领先于膨润土的失水率，24h后细粒土几乎不再失水，失水率稳定在84.6%，而此时膨润土的失水率仍在持续上升，最终达到92%并保持稳定。这一结果表明：在一定的时间范围内，膨润土的保水性优于细粒土，即膨润土的干燥时间长于细粒土。等干燥之后，膨润土自身只保留了8%的水分，而细粒土则保留了大约15%的水分。这部分保留的水分是否转变为二者矿物成分中的结晶水，尚有待验证。

2.2.2 释水材料的特性测试

释水性测试：以刚好吸收48ml水为标准，所需普通纤维素为17g、BC1000纤维素为7g，分别将这两种纤维素均匀敷贴于干燥试块表面，并施加相同压力，使之与试块表面紧密接触。每隔一定的时间就称量试块的质量变化，并计算出质量的增加量，以这个增加量来衡量纤维素的释水能力。比较二者的释水能力应该以单位质量纤维素的释水量为评价标准，测试结果见图3。

从图3可以看出，两种纤维素的释水曲线的趋势基本类似。在最开始的30min内，两种纤维素的释水量迅速升至最大值，然后迅速降低。不同之处在于，BC1000纤维素的释水速度和释水量始终高于普通纤维素，30min后两种纤维素大约维持了10h的稳定释水期，在这个释水期内，单位质量的普通纤维素和BC1000纤维素所释放的水分分别维持在0.1g和0.2g左右，随后二者的释水量开始锐减，并持续至释水过程完全终止。由图虚线可知，两种纤维素大约在释水开始后的19h—24h内完成释水过程，24h后两种纤维素开始吸收其释放给试块的水分，即24h之后纤维素开始展现出其吸水特性。

干燥性测试：干燥性测试也将脱离试块本体，单独测试两种纤维素对温湿度波动的应变反应。具体操作是：参照释水特性测试，取17g普通纤维素和7gBC1000纤维素，分别用48ml水搅拌后，两种纤维素刚好达到饱水状态。每隔一定的时间就称量两种纤维素的质量。比较这两种纤维素的失水性只需比较单位质量纤维素的失水量即可，测试结果见图4。

由图4可以看出，两种纤维素的失水曲线趋势类似，都是随着时间的推移，其失水量逐步升高。不同之处在于，单位质量的BC1000纤维素在相同时段内的失水量均大于普通纤维素的失水量，这预示着BC1000纤维素比普通纤维素干燥得快。但是BC1000纤维素的优势在于吸收等量的水所需纤维素的质量比普通纤维素的质量少得多，因此在对垂直墙面进行材料筛选时，BC1000纤维素因其较轻的优点往往更具优势。

2.3 泥敷脱盐

2.3.1 泥敷剂膏体的制作

参照表2中的无机脱盐材料的组合，分别称取吸水材料21g、释水材料7g，并混合均匀。因为每组泥敷材料的吸水能力不同，在拌制泥敷剂时，以每组泥敷材料刚好达到塑性状态为标准，加水搅拌，将泥敷材料和水的混合物调制成泥敷剂膏体。制作各组脱盐材料所需水量如表2所示。

2.3.2 干预层的选择

干预层的作用是放在试块与膏体泥敷剂中间，防止两者因水分丧失而固结在一起，同时也便于脱盐完成后将泥敷剂从试块表面揭取下来。对于预湿后表层迅速变软的土遗址土体来说，干预层是必不可少的。筛选干预层材料的过程也相当严格。本次正式试验之前，一共做了3次尝试才最终确定用棉纸做干预层材料。

2.3.3 脱盐操作及数据记录

在脱盐试验中，为4组脱盐材料分别设置了平行样，以便减小操作误差，回避偶然误差。所用试块统一用8ml的水进行预湿，然后分别将泥敷膏体敷贴于试块表面的湿润干预层上，并施加相同的压力，使之与试块紧密接触，如图5所示。

间隔不同的时间称量泥敷剂膏体与试块的质量，并计算出质量与初始质量的差作为衡量脱盐过程是否完成的标准。结果表明，与4组泥敷脱盐材料相对应的泥敷剂膏体与试块的质量减少量随着时间推移不断增加，大约96h后，增加的趋势趋于平缓，说明泥敷剂膏体与试块的质量不再减少，泥敷脱盐的进程已经接近结束。室内环境中，在预湿加水量为8ml时，4种脱盐材料对应的脱盐周期大概在96h左右。

所谓脱盐周期，指的是将泥敷剂敷贴于试块干预层表面直到泥敷脱盐作用终止、水分彻底干燥的这段时间。在本次室内试验中，一次脱盐周期的完成以泥敷剂膏体与试块的质量不再发生变化为标志。从理论上讲，脱盐周期越短，对遗址土体的伤害就越小。所以脱盐周期的长短也是考核泥敷剂是否合格的标准之一。但此次评估将不考虑脱盐周期的因素，因为脱盐周期的长短和制作泥敷剂膏体时所添加的水量有直接关系，而在本次试验中，用不同的脱盐材料组制作不同的泥敷剂膏体时所加的水量不同，所以无法在同一水平上以脱盐周期的长短来评估各组材料的脱盐效果。但是制作泥敷剂时加水量和脱盐周期的长短之间的关系还有待研究。

脱盐过程完成后，将干燥的泥敷剂连同干预层一起揭取下来，以便进行易溶盐含量的测试。脱盐之后试块的表面状况如图6所示。

从图6可以看出，除了膨润土加上BC1000纤维素以及细粒土加上普通纤维素作为泥敷材料致使试块表层出现坑洼之外，其余试块的表面均平整无缺。原因可能是膨润土与BC1000纤维素的混合物中膨润土所占比例过大，使混合后的泥敷剂膏体吸附力过强，脱盐完成之后，泥敷剂和试块仍难以分开，稍微施加外力，即将试块的表层土体带走；也可能是在调制泥敷剂膏体时，由于BC1000纤维素的吸水性过高，使制成的泥敷剂膏体的含水量过多，在敷贴于试块表面之后，将过多的水分导入到试块表层，较大程度地改变了表层土体的结构，等脱盐完成后，稍微施加外力，也很容易将试块的表层土体带走。而细粒土加上普通纤维素的混合物并不是两个平行试块都出现了破坏现象，只有一个试块的表面被破坏，且破坏出现在试块的边缘，形成的坑并不深。

脱盐完成后，分别用100ml的纯净水将收集到的泥敷剂和干预棉纸层浸泡12h，然后取上清液进行易溶盐含量测试。由于所加混合盐为NaCl和Na2SO4的混合物，因此只需检测Cl-1和SO2-4的离子含量，即可对这4组脱盐材料的脱盐效果进行比较，使用美国戴安公司生产的ICS-90型离子色谱仪测得两种离子的含量，见表3。

三 分析与讨论

首次泥敷脱盐的时间在2013年5月13日14：30到5月17日14：30之间。由温湿度仪记录的数据可知，在测试时段内温度在3℃之内波动，且昼夜温差逐日降低；从5月15日到16日，相对湿度超过了25%。总体而言，测试时段内温湿度波动不是很大。

3.1 以Cl-1的质量为评价标准

根据表3的数据记录，现以Cl-1的含量为评价标准，对4组脱盐材料的脱盐能力进行对比，结果如图7所示。

从图7可以看出，就脱去Cl-1的能力而言，细粒土加上普通纤维素的脱盐能力最强，脱去Cl-1的含量可达378mg；其余3组脱盐材料的脱盐能力相差不大。

将吸水材料相同而释水材料不同的细粒土与普通纤维素的混合物及细粒土与BC1000纤维素的混合物单独进行比较，造成两者脱去Cl-1的能力相差迥异的原因是两者的释水材料不同，在拌制泥敷剂膏体时所需水量也不同，而不同的水量导入到试块表层，发生的水盐运移现象自然也不同。很有可能是由于BC1000纤维素导入了过多的水，在干燥过程中水盐运移未能在泥敷剂内终止，而是在试块表层的某个位置提前终止，因此在干燥的泥敷剂内测到的盐分含量较低。

3.2 以SO2-4的质量为评价标准

根据表3的数据记录，现以SO2-4的含量为评价标准，对4组脱盐材料的脱盐能力进行对比，结果如图8所示：

可以看出，就脱去SO2-4的能力而言，脱盐能力最强的是细粒土加上普通纤维素，其次是膨润土加上普通纤维素，再其次是膨润土加上BC1000纤维素，最差的是细粒土加上BC1000纤维素。

膨润土加上普通纤维素能够在脱盐试验中脱颖而出，推测其原因有两点：第一，普通纤维素和BC1000纤维素分别作为释水材料，前者导入试块表层的水分刚好能够保证水盐运移顺利完成，即盐分能够顺利地进入泥敷剂膏体；而膨润土加上BC1000纤维素是以BC1000纤维素作为释水材料，因此导入试块表层的水分过多，以至于干燥过程中在试块表层发生水分淤积，淤积的水分自然也不会将易溶盐带至泥敷剂膏体。待干燥完成后，在用膨润土与普通纤维素制成的泥敷剂膏体中检测到的盐分含量自然比用膨润土于BC1000纤维素制成的泥敷剂膏体中的盐分含量高。这两组脱盐材料水分渗透时的水盐运移现象也印证了这一推测。第二，膨润土作为吸水材料依次和两种纤维素混合，可能在混合普通纤维素时，膨润土更能发挥其吸湿性能。因为普通纤维素所需水量比BC1000纤维素所需水量要少，而少量的水分不足以让膨润土内部的水分含量过高，也就是说，在混合吸水较弱的普通纤维素时，膨润土的吸湿能力更强，因此对水盐的吸收能力更强。

3.3 四组脱盐材料所脱Cl-1和SO2-4质量的对比

根据表3的数据记录，将每组脱盐材料所脱去的Cl-1和SO2-4的质量进行比较，结果见图9。

可以看出，细粒土加上普通纤维素脱去这两种离子的能力一直领先于其他3组材料。就单组材料而言，膨润土加上普通纤维素和细粒土加上普通纤维素脱去SO2-4的能力远胜于它们脱去Cl-1的能力，而膨润土加上BC1000纤维素和细粒土加上BC1000纤维素脱去Cl-1和SO2-4的能力相当，这可能是因为普通纤维素和BC1000纤维素的吸水能力不同，导致两者分别和膨润土及细粒土混合组成的脱盐材料对Cl-1和SO2-4的吸收能力产生差异；也可能是制作试块时加上入的NaCl本来就比Na2SO4要少，而这两组材料比其他材料对NaCl和Na2SO4含量的差异更加敏感，从而使这两组材料脱去SO2-4的能力和脱去Cl-1的能力相差甚远。究竟是哪种原因，尚待实验证实。

四 结论

（1）在一定范围内，膨润土的吸水能力和保水能力均优于细粒土，BC1000纤维素的释水速度及干燥速度均快于普通纤维素，且吸收等量的水分所需BC1000纤维素的质量要少得多。

（2）就脱去Cl-1而言，细粒土加上普通纤维素的脱盐能力最强，其余三组脱盐材料的脱盐能力相差不大。

（3）就脱去SO2-4而言，细粒土加上普通纤维素脱盐能力最强，其次是膨润土加上普通纤维素，再其次是膨润土加上BC1000纤维素，细粒土加上BC1000纤维素的脱盐能力最差。

（4）细粒土加上普通纤维素的综合能力为同组最强，膨润土加上普通纤维素和细粒土加上普通纤维素脱去SO2-4的能力远胜于它们脱去Cl-1的能力，膨润土加上BC1000纤维素的混合物和细粒土加上BC1000纤维素的混合物脱去Cl-1和SO2-4的能力相当。

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