不同加固剂于考古探方土壤防风化效果的比较研究

＊张绪柘 陈丽俊 黄凤 段伟

（西北民族大学历史文化学院 甘肃 730030）

不同加固剂于考古探方土壤防风化效果的比较研究

＊张绪柘 陈丽俊 黄凤 段伟

（西北民族大学历史文化学院 甘肃 730030）

在考古发掘过程中，考古探方的坍塌会严重影响我们对探方层位关系的确认，亦可对各层位的包含物产生破坏和影响，深层探方更是存在着对发掘人员人身安全的隐患。在实际工作中，除了使用常规的物理支撑加固外，化学试剂加固法可从土壤入手，改变土壤颗粒间的粘结度，在源头上对探方内壁土壤进行加固。通过实验，对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等有机溶剂分散体系对土壤防风化加固效果进行对比，包括加固后土壤样块各种性能（重量、色度、抗崩解能力等）的变化。实验结果表明，4%-6%的PMMA丙酮溶液在各方面均具有较优良的抗风化效果且满足考古发掘工作的要求。

加固剂；考古探方；保护；对比试验

1.前言

在现代考古发掘过程中，防止考古探方及较深遗址的坍塌一直被当成一个重要的问题来对待，探方不同程度的坍塌严重影响我们对探方层位关系的确认，亦可对各层位的包含物产生破坏和影响，特别是在干燥少雨的陕甘宁地区，土壤间间隙较大，在深层探方中更容易发生事故。出于对参与考古发掘人员的人身安全问题考虑，在实际考古工作中，常会使用物理搭架加固法对考古探方内壁进行加固，但此方法因脚手架的干扰不益于对考古探方进行文化层分层，且对于较深的考古探方要搭建稳定防塌的脚手架需耗费大量人力财力，且对于部分需要保留以作日后陈列展览所用的考古探方，此方法还因会对内壁土壤施加压力而显得本末倒置。而化学试剂加固法是从土壤入手，改变土壤颗粒间的粘结度，可从根本上对探方内壁土壤进行加固。现今，各领域对于土壤防风化试剂的研究常集中在对各种试剂的改性研究，以取得更好的防风化加固效果。但在文物考古领域，对改性加固剂中各成分的作用和加固机理研究尚显不足，大部分机理研究均为化学工作者的结果。

在此大环境下，对现阶段各领域所使用的几种经典的土壤防风化加固试剂进行研究改进，而使之能运用在考古探方内壁这样一个特殊的环境下就显得尤为必要了。研究组通过各种试剂对于土壤样块防风化加固效果的比较，且将室内实验表征结果较优的试剂于室外2*1*1m的“模拟探方”中进行验证，以此对比各类试剂适用于考古工作的组分的效果。

2.实验土壤物化性质及土样的制备

(1)实验土壤物化性质

实验用土壤为甘肃省兰州市西北民族大学榆中校区所采灰钙土。经测定其细筛土密度为1．017g/cm3，土壤pH为7．7～7．9，含水率4．8-5．1%，塑限19．6%，取土后约85%可直接过100目土筛，对比可知，试验用土为西北地区典型的灰钙土。

(2)土样的制备

将所选土壤碾碎过100目土筛，称取100-120g土壤，加蒸馏水至其塑限，并将其制成8*8*5cm的土块，使其密度及孔隙率均优于原状土。再将所制土块置于密封袋中密封，使其含水率一致，两天后取出自然风干。

3.试剂材料的选择及其浓度

查阅各类文献可知，现阶段适用于西北陕甘宁地区土壤的防风化加固试剂主要有：聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅丙乳液、B72（丙烯酸酯与甲基丙烯酸酯的共聚物）、SH材料、PS材料等。通过对这几种试剂的组成成分的分析比较，考虑到考古发掘工作中需通过内壁土壤颜色进行文化层分层，使用试剂后不可对土壤颜色产生较大改变，再结合一般文物保护材料选择的原则，遂选取了7种试剂材料，并设计了共计32组浓度来进行对比实验研究。如表1所示：

表1 试验所用试剂材料

4.防风化加固处理样品的制备

以制备的土壤样块为对象，将选定的材料及浓度对样块进行涂刷，每种材料单一浓度涂刷样块2个，每块样块涂刷试剂总量为20ml。

5.检验方法及数据

样品制备完成后对试样进行以下性质的检验：重量变化、颜色变化、抗崩解、抗低温等。以对比各抗风化加固剂的效果。

(1)重量变化

测量各浓度试剂处理前后样块的重量，得出各浓度试剂处理前后样块重量变化百分比如表2所示。可以看出，前四种试剂对于土壤重量的变化均较小，基本处于0．5%以下。这与样块间隙较小有关，试剂无法很好的渗透入样块中。而如聚乙烯醇、PMMA则是在样块表面形成一层透明有机膜以保护样块本体，则导致其加固前后样块重量变化较其他试剂大。

表2 样块重量变化百分比

(2)色差变化

由于考古工作中需通过探方内壁土壤颜色及内容物的特征来进行文化层分层，所以其防风化加固剂需要尽量不改变其颜色，以保证分层工作的顺利进行。使用CM-A185便携式色度计（SAV垫片SCE10°/D65）对各试剂涂刷前后色度的测量，可计算出各浓度试剂加固前后样块的色差变化，如表3所示：

表3 样块涂刷前后色差

可以看出，仅有机硅水溶液、甲基丙烯酸甲酯水溶液涂刷前后样块色差较小，基本处于3以下，为不可感变化。聚乙烯醇水溶液的色差则较大，2%-5%浓度涂刷下的样块色差均在6以上，颜色变化较为明显。

(3)实验样块耐水性检验

将试剂处理过的土样放入盛有蒸馏水的烧杯中，观察记录试样在水中的变化，如开裂、起皮、崩解等情况及发生的时间。试验主要分为两步，第一步是对各浓度试剂处理的样品进行耐水性检验，然后选择其中耐水性能优秀的样品（在水中浸泡1h无变化）进行长期耐水试验。试验结果如下：

表4 样块表面开始起皮时间（单位：秒）

表5 1h样块崩解程度

由表4、表5可以看出，甲基丙烯酸甲酯水溶液、有机硅水溶液、聚醋酸乙烯酯水溶液、硅丙乳液具有一定的防护，但低浓度试剂的效果也不明显；聚乙烯醇水溶液和PMMA丙酮溶液在样块表面所形成的一层保护膜能很好的将水与样块隔离，起到较为良好的防护作用。

6.防风化加固剂性能比较

表6 防风化加固剂效果

7.室外防风化加固实验

根据前期试验可以看出，在各类单组分抗风化加固剂中，聚乙烯醇水溶液、PMMA丙酮溶液和B72丙酮溶液有着较为优秀的加固性质，虽然其加固前后对样块会造成较大的色差，但其抗风化能力却是远优于其他加固剂的。

为了验证这三类试剂的实际应用意义，实验组在室外采用直立式开挖的方法，制作了一个长宽深为2m×1m×1m的“模拟探方”，并对其涂刷8%-10%的聚乙烯醇水溶液、PMMA丙酮溶液和B72丙酮溶液，以进一步检验其对于西北地区考古探方内壁防风化加固的效果(试验期间，室外温度最低-15℃，最高23℃，相对湿度最低13%，最高35 %)。

通过一个月的自然风化，我们可以看出三种试剂均具有良好的防风化效果，均未出现空白样表面所产生的内壁表面酥粉现象。而对比三种试剂的效果，涂刷前后虽色差可感但不会影响实际工作中探方层位的辨认。其中PMMA丙酮溶液可在探方表面形成一层稳定的有机膜保护其不受外界环境干扰，而聚乙烯醇水溶液所成膜在土体原有缺口处会发生起翘现象，B72丙酮溶液无法成膜，防风化表面会有小颗粒脱落的现象，但不会影响探方内的发掘工作。

图1 室外防风化加固实验后效果

8.结论

(1)未防风化处理的土壤在结构和耐老化性能上均不及防风化处理后的土壤，在实际考古工作中需对探方进行适当的防风化处理。

(2)结合室内实验和室外验证的结果，8-10%的PMMA丙酮溶液具有最为优良的抗风化效果且能满足考古发掘工作的要求。

(3)今后在考古探方化学加固的科学研究中可以通过对PMMA、聚乙烯醇、B72的改性研究来满足实际工作的需要，以促进考古现场工作更为顺利的进行。

[1]胡双熙,张维祥等.青甘宁地区灰钙土的成土特点[J].兰州大学学报（自然科学版）,1990,26(3):127-136.

[2]谌文武,郭志谦等.基于SH加固材料的土遗址夯土试样室内滴渗试验研究[J].岩土工程学报,2015,37(8):1517-1523.

[3]赵海英,王旭东,李最雄等.PS材料模数、浓度对干旱区土建筑遗址加固效果的影响[J].岩石力学与工程学报,2006,25(3):557–562.

[4]王蕙贞.文物保护材料学[M].西安:西北大学出版社,1995:4.

Comparative Study on The Effect of Different Strengthening Agents on Soil Anti-weathering Reinforcement in Archaeological Exploration Party

Zhang Xuzhe, Chen Lijun, Huang Feng, Duan Wei

( School of History and Culture, Northwest University For Nationalities, Gansu, 730030)

In the process of archaeological excavation，the collapse of the archaeological exploration party will affect our judgement to horizon on the position relationship，and will impact on substances of position.There is a hidden trouble for archaeologist in the deeper archaeological exploration party.In the practical work，in addition to using conventional methods which is physical reinforcement，the chemical reinforcement method from the perspective of the soil，to change the degree of binding between soil，and reinforced soil on the source.After experiment，use organic solvent such as PMMA dispersion system for soil weathering proof reinforcement effect were compared，including all kinds of performance of soil changes after reinforcement（weight，chroma，ability to resist collapse and so on）.The experiment results show that 4%-6% PMMA acetone solution in all aspects are excellent weathering resistance effect，and meet the requirements of archaeological excavations.

reinforce the reagent；archaeological exploration party；protect；contrast test

K

A

((责任编：王恒)

西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201610742021）。

张绪柘（1997～），男，西北民族大学历史文化学院，研究方向：文物保护。