多场耦合下岩土质文物风化机理试验装置研究

王旭东 郭青林 范宇权 杨善龙 张鹏

内容摘要：岩土质文物的破坏往往是多因素共同作用的结果，开展多场耦合下的岩土质文物病害机理研究对于遗址的保护具有非常重要的意义。多场耦合条件下的环境模拟技术已经广泛应用于科学研究和工业测试领域，具有时间可控性、条件重复性和数据精确性等突出优点。本研究基于其他行业的研究成果，首次研发了基于多场耦合下的石窟围岩风化机理模拟试验系统装置，通过对岩土质文物模拟环境和测试技术的研究，确定了多场耦合实验室的布局、功能、技术性能指标，将为敦煌石窟围岩风化和壁画盐害机理研究乃至全国岩土质文物保护研究提供高技术环境仿真试验平台，提升岩土质文物风化机理和保护材料性能评价的研究水平。

关键词：石窟;围岩风化;多场耦合装置;病害机理

中图分类号：K854.3  文献标识码：A  文章编号：1000-4106（2015）05-0103-08

Multi-Field Coupling Equipment for Research on the Weathering Mechanism of Rock and Earthen Relics

WANG Xudong1，2，3 GUO Qinglin1，2，3 FAN Yuquan1，2，3

YANG Shanlong1，2，3 ZHANG Peng4

（1. Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200;

2. National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites，

Dunhuang， Gansu 736200;

3. Key Laboratory of Gansu Province for the Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites， Dunhuang， Gansu 736200;

4. Shanghai Satake Cool-Heat & Control Technique Co.， Ltd， Shanghai 200120）

Abstract： Most damage to rock and earthen relics is caused by the interaction of multiple environmental parameters， making the study of their deterioration mechanisms under multi-field coupling conditions very important. Artificial environment simulating techniques under multi-field coupling conditions have been extensively applied to scientific research and technical tests because of advantages such as time controllability， parameter repeatability， and data accuracy. Based on the multi-field coupling research in other fields， engineering equipment has been developed to study the weathering mechanism of rocks surrounding caves for the first time. By studying simulated environments and testing techniques for rock and earthen relics， the design， function and technical specifications of the equipment have been confirmed. This will provide a high-tech environment simulation platform for studying the weathering mechanism of the surrounding rocks and salt disruption of the wall paintings and evaluation materials of the Dunhuang caves and other rock and earthen relics in China， as well as promote research on the weathering mechanisms and evaluation materials of rock and earthen relics.

Keywords： caves; surrounding rock weathering; multi-field coupling equipment; deterioration mechanism

1 概 述

利用单一因素的环境模拟试验，如温度、湿度、沙尘、盐雾、雨、风、辐射等环境模拟试验，易于找出单一环境因素对岩土质文物的影响规律[1-6]。但随着岩土质文物保护研究和工程实践的深入，人们逐步认识到导致岩土质文物的破坏与劣化往往都是多因素共同作用的结果，因此无法准确地靠单一因素来解释和模拟再现病害发生和发展的过程，甚至在机理研究过程中会出现前后矛盾的现象。这就需要我们将多个因子耦合来模拟和揭示其病害产生和破坏机理。目前，在岩土质文物保护领域的一些病害模拟和病害机理研究多在温湿度程控箱里开展，受箱内体积的限制，样品的尺寸均比较小，无法真实全面地反映环境对岩土质文物的作用。而环境模拟技术和其他领域的多场耦合模拟研究的发展，为我们提供了解决问题的思路。岩土质文物保护多场耦合试验装置正是基于以上背景而提出的。

环境模拟技术是各种自然环境的人工再现技术，是一门新的综合性工程技术。环境模拟技术通过吸取制冷、真空、空调、加温、自动控制和计量等领域的相关理论和方法，形成了独立的技术理论体系。环境模拟技术于20世纪50年代开始于美国[7]，主要用于人工再现多种自然条件，对生物科学的研究起到了极大推动作用。该技术随后广泛应用于工业领域，特别是在军事工业领域得到了极大发展，如欧洲车辆研究中心的维也纳国际车辆实验站、美国空军麦金利气候实验室等[8-9]，最具代表性的是美国生物圈2号工程，试图模拟维持地球生命的自然环境，为人类探索太空，研究生命和环境的持续发展提供依据[10]。自20世纪60年代起，中国也开始了环境模拟技术方面的研究，先后在生物科学、军工设备、工业设备等的研究和制造工作中应用了环境模拟技术，自主生产了各类不同规模的环境模拟设备，建成了一些具有自己特色的环模设备[11-18]。不同的模拟环境需要不同的设备体系，目前主要的类型有地面环境模拟设备、空中环境模拟设备和空间环境模拟设备。环境模拟的发展方向是研发整机多参数综合动态环境模拟设备和进行多参数综合动态环境模拟试验及人机系统综合环境模拟试验[19]。综合环境模拟是指两个以上环境参数同时作用的模拟试验，可以真实地模拟试验对象实际经受、同时发生的环境，产生综合的环境效应，增加试验的真实性和可靠性。该技术在科学研究中具有自然界无法实现的时间可控性、条件重复性和数据精确性等突出优点。

在岩土工程学科领域，有关多场耦合的研究主要集中在以下几点：探讨岩土体渗流——应力——温度——溶质运移两两之间相互作用及岩土体多相介质多场耦合作用非线性动力学模型 [20-21];论述高放废物深地质处置多场耦合与核素迁移问题的特点[22];提出了工程地质空间多场耦合构模的总体研究框架和流程，开展了地质体多场耦合模型在三维地质建模及可视化系统的研究[23]。针对介质的渗流、温度、应力和化学耦合作用机理已经有了深入的研究，多场耦合技术在岩土介质综合分析和研究中发挥了重要的作用，广泛应用于石油开采、页岩气开发、冻土基础稳定性、地热开发、地下工程分析等领域。

多场耦合条件下的环境模拟技术是综合多种自然环境的人工再现试验新技术，已经在解决环境模拟和试验理论及实践中形成了独立的技术理论体系，具有时间可控性、条件重复性和数据精确性等突出优点。

2 多场耦合实验室研发的目的和意义

以敦煌莫高窟为代表的敦煌石窟群壁画和彩塑，具有极高的历史、艺术及科学价值。长期受自然和人为因素的影响，这些珍贵的历史文化遗产正遭受着诸多病害的侵袭，不断地被破坏乃至最终消失。作为文物本体壁画的盐害问题以及载体砂砾岩体的风化问题，成为目前威胁莫高窟长久保存的最直接的两大因素。砂砾岩体的不断风化（图1—2），直接威胁到石窟内文物的安全，而与水盐运移有关的壁画盐害对壁画的破坏最为严重，被称为壁画的“癌症”，要得到较好的修复，难度极大（图3—4）。在我国西北干旱区露天保存的土遗址同样也面临着风化和盐害导致的破坏（图5—6）。

壁画盐害和石窟围岩风化本质上属于一个正在进行的地球化学过程。石窟围岩的风化问题，主要是砂砾岩体中的胶结物在温度和水盐作用下导致的胶结作用失效[24-25]。近年来，对于石窟围岩的加固技术和加固材料的研究均取得了较大进展，但对石窟围岩风化与环境因子方面的研究尚不够深入，对于保护材料和加固方法的长期效果无法进行精确评估。室内模拟试验研究显示，当达到一定相对湿度时，存在于壁画内的盐分就会发生潮解，向表面运移和富集，诱发壁画病害的产生[26-28]。壁画支撑体和地仗内的可溶盐在水或水汽的参与下，向壁画表部运移而导致壁画产生病害。从20世纪80年代末开始，敦煌研究院先后与兰州大学、美国盖蒂保护研究所和日本东京文化财研究所合作开展了大量有关莫高窟壁画保护方面的研究，并在壁画制作材料与工艺、环境监测、病害调查、病害机理研究及保护程序方面取得了诸多研究成果，但对导致壁画病害的水汽和盐分来源研究不够深入，尤其对导致盐分运移的水汽来源的解释存在较大争议。针对盐害，“十一五”国家支撑计划课题“古代壁画脱盐关键技术研究”提出了可用于盐害壁画治理的脱盐材料和方法，但只能对壁画盐害起到一定的缓解作用，并没有从理论上解决盐害产生的根本问题。因此，研究敦煌壁画盐害发生、发展的地球化学过程，以及壁画的物理化学作用机理，对科学解释石窟盐害病害机理，进行预防性保护和病害治理均有极为重要的意义。

由于文物保护的特殊要求，如只能采用无损或微损的方法开展试验研究，使得石窟围岩风化和壁画盐害机理的研究多针对单一影响因素展开，无法实现时间可控性、条件重复性和数据精确性，导致对病害机理的揭示深度不够;同时大量取样进行室内研究以及很多可用于岩土原位测试的仪器和测试方法均无法直接在石窟和壁画保护中应用，只能通过一些无损测试和模拟试验的方法来研究石窟围岩风化和壁画盐害的发生、发展过程。

在文物保护领域利用环境模拟技术建立多场耦合实验室，是一个尚处于探索阶段的创新性研究，包括环境模拟试验的设计、多种耦合环境的实现、加速试验与自然环境变化的相关性等多项研究。岩土文物风化和病害机理研究一直以来难以建立一个科学的试验体系，主要原因是岩土风化和壁画病害的发生是多种环境因素耦合交织作用的结果，难以采用科学定量的手段进行研究和评估。本试验装置的成功研制，可提供土水气热等多场耦合的可控的试验环境，根据需要模拟控制各环境因子及其交织变化时的多场耦合的试验环境，准确测量此过程中岩土文物仿真试验件内在与外在物理化学特质的实时变化，具有试验时间和测试条件可控，试验数据精确性高、重复性强，加速测试试验条件及试验件体量更接近于实物等特点，可为科学研究岩土文物风化和病害机理及文物保护效果评估等提供切实可行的科学手段。

借助环境模拟领域和岩土工程领域多场耦合相关研究成果，根据岩土质文物保护的实际需求，提出多场耦合实验室的研发方案，合理确定实验室的布局、功能、技术性能指标，探讨人工气候环境实验室设备、仪器的优化配置，并形成相关试验方法，研发基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验系统装置，打造我国首个不可移动文物领域的模拟实验室，为敦煌石窟围岩风化和壁画盐害机理研究提供高技术环境仿真试验平台，也将对我国对岩土质文物病害机理的研究具有重大意义。

3 多场耦合试验装置的研发

3.1 研发需求

基于技术因素和岩土质文物保护需求，多场耦合试验装置应满足以下要求：

（1）必须达到可逼真模拟多种环境场耦合作用的要求，应具有模拟范围广、模拟因子多、模拟类型复杂、测量与控制系统自动化程度和准确性高等特点。

（2）需涵盖文物保护所在地一年四季的极端气候条件的变化全过程，实现温湿度交变、日光照射、降雨降雪、风雨组合、日照融雪各环境因子的模拟，可提供多种环境因子交织耦合相互作用的可以控制的试验条件。

（3）试验条件可根据需要自动控制，试验数据可实时精确测量，从而达到自然界无法实现的试验时间可控、测试条件可重复和试验数据精确性高的优点。

（4）通过模拟多场耦合的环境，进行可靠、准确、实时的试验测试，从而为保护方案的评估提供翔实可靠的数据依据，通过进行加速耐久试验与自然环境变化试验的模拟，可为进行两种试验相关性的研究提供试验手段。

（5）试验科研人员通过大量试验数据的积累和对各类环境因子影响力试验数据的进一步分析，可提出科学的病害机理模型，构建文物保护的相关环境试验规范和测试标准。

3.2 研发过程

在多场耦合实验室建设思路提出之后，研发团队就开始收集相关环境控制、石窟围岩风化和壁画盐害方面的研究资料，并通过调研和实际需求来确定多场耦合试验装置的总体技术方案、总体布局、设备构成和技术指标。通过现场开展调查与监测工作，确定围岩风化和壁画盐害影响因子，并分析数据并提出病害机理模型。调研和吸取其他领域环境控制系统后，开展试验子系统初步设计与集成，并改进试验系统，完成试验装置原型设计、建筑及公用动力设施相关设计的总体技术要求。进行多场耦合试验装置的系统细化设计，对各子系统的相应设备进行功能设计、结构设计和系统集成设计，编制设备控制逻辑，进行电气和控制软件设计，实现实验室设备的自动化。

在以上工作的基础上，进行器件采购和制造组装，子系统的分模块调试，现场设备的安装及调试，实验室基建工作等，完成石窟围岩风化试验系统和壁画盐害机理试验系统构建。多场耦合试验装置技术设计框图见图5。

3.3 实验室功能组成及主要技术参数

3.3.1 试验装置设计及主要功能

本实验室主要由实验仓、控制室和机房组成。实验仓内可模拟温度、湿度、日照、降雨、降雪等各种环境气候条件，并可实时测量试验件在环境条件作用下内在外在的物理化学特征的变化过程。

为提高实验室整体的使用效率，降低能耗，以及保证设备长期运行的可靠性，将环境仓设计成三个独立的区域，分别为夏季仓，冬季仓和风雨仓。这三个仓体依次相连，仓体都由保温库板搭成，夏季仓和风雨仓之间、风雨仓和冬季仓之间，各有一扇隔热密闭大门，仓体地面铺设导轨，试验件放置在移动平台上可以方便地在各仓间移动。夏季仓内有一套控制仓内温度地湿度的空调装置和一套可以调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置。风雨仓内有一套控制仓内温度的空调装置、一套可控制降雨量的局部降雨装置、一套可控制风速的吹风模拟装置。冬季仓内有一套控制仓内温度和湿度的空调装置、一套可控制降雪量的局部降雪装置、一套可以调整位置的全光谱日照模拟装置。夏季仓和冬季仓的空调装置内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置、一套加湿量可调的加湿装置和一套除湿量可调的除湿装置，可以实现温度和湿度的交变控制。风雨仓的空调装置内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置，可以实现温度的交变控制。试验装置包含一个控制系统，可依据时间变化，连续模拟一天早午晚温度、湿度、日照强度、降雨量、风速和降雪量的交替变化。该控制系统可以是计算机，或是若干PLC系统，或是若干程序控制器。

在夏季仓内，可覆盖模拟夏季的温度、湿度和日照条件，温度和湿度通过一套空调装置进行控制。空调装置内有至少一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置、一套加湿量可调的加湿装置和一套除湿量可调的除湿装置，通过加热装置升高温度，冷却装置降低温度达到温度控制的目的;通过加湿装置提高湿度，除湿装置降低湿度，达到湿度控制的目的。其中，除湿装置可以是化学转轮除湿机。空调装置可以实现温度和湿度的交变控制。可移动日照装置需采用全光谱日照，安装在圆弧形支架上，日照位置、照射角度可电动调节，强度可按不同时间段的设定自动调节，以模拟早午晚等时间段的不同日照状况。

在风雨仓内，可覆盖模拟降雨季温度、降雨、吹风、风雨组合侵蚀条件。温度通过一套空调装置进行控制。空调装置内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置，通过加热装置升高温度，通过冷却装置降低温度达到温度控制的目的。空调装置可以实现温度的交变控制。通过一套局部降雨装置控制降雨，采用大中小三种降雨喷嘴，可模拟小雨至大雨的雨强、不同的雨滴形态，以及接近自然降雨的冲击力。吹风模拟装置可以采用一台轴流风机，用变频驱动控制出口风速，出风口可以采用整流罩整流。风机安装在风机支架上可以移动，并可升降调整吹风高度。降雨装置和吹风装置可以同时工作，对风雨组合侵蚀试验条件的情况进行模拟。

在冬季仓内，可覆盖模拟冬季温度、湿度、降雪和日照融雪条件。温度和湿度通过一套空调装置进行控制。空调装置内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置、一套加湿量可调的加湿装置和一套除湿量可调的除湿装置，通过加热装置升高温度，冷却装置降低温度达到温度控制的目的;通过加湿装置提高湿度，除湿装置降低湿度，达到湿度控制的目的。其中，除湿装置可以是化学转轮除湿机。空调装置可以实现温度和湿度的交变控制。通过一套降雪装置控制降雪，降雪量非连续可控，分大中小三级模拟不同等级的降雪，降雪厚度自动测量。日照装置采用全光谱日照，安装在可移动支架上，日照强度不可以调节，用于融雪。

夏季仓、风雨仓和冬季仓采用一套控制系统，控制系统由计算机和PLC组成。通过控制系统，可以控制每个仓进行完全独立的模拟试验。在夏季仓内，可依据时间的变化，连续模拟夏季一天早午晚温度、湿度、日照强度的交替变化;在冬季仓内，可依据时间的变化连续模拟冬季一天早午晚温度、湿度、降雪、融雪的交替变化;在风雨仓内，可依据时间的变化连续模拟雨季一天早午晚温度、降雨、风速的交替变化。控制系统也可以实现同一试验件在各仓间的连续流转循环测试，可依据时间的变化任意顺序模拟夏季、冬季、雨季的交替变化。在打开夏季仓、风雨仓和冬季仓之间的隔热密闭大门后，试验件放置在移动平台上，通过地面导轨可以方便地在三个仓内流转移动，实现三个仓不同因子之间的耦合。

3.3.2 主要技术参数

该试验装置采用三种不同类型试验仓体结合的技术方案，使得试验装置具有环境控制范围广、试验测试灵活、性能可靠等特征。试验装置的主要技术参数如下表1—4。

4 结 论

（1）由于文物的珍贵和特殊性，决定了文物研究领域必须采用无损测试及模拟试验研发装置。本试验装置可提供土水气热等各类多场耦合的试验环境和实时准确的测量系统，为文物风化和病害机理研究及文物保护技术方案评估提供有力的研发手段和设备保障。

（2）通过采用三种不同类型试验仓体结合的技术措施，在实现多场的叠加和耦合的同时，可提高设备的可靠性，为进一步开展不同环境条件下文物的破坏机理以及保护材料与工艺的基本热学、力学参数以及整体结构的环境效应试验奠定基础。

（3）多场耦合试验装置的研发与建设对国内外文物保护领域具有里程碑的意义。它的成功建设对推动文物保护技术发展和标准规范的建立具有重要意义。

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