几个红烧土遗址过火温度的科学推断

闫海涛 周双林 唐 静

（1.河南省文物考古研究院，河南 郑州 450000；2.北京大学 考古文博学院，北京 100871）

土遗址是我国重要的文物资源，是中华文明发源的直接实物证据，具有极其重要的保护和展陈意义。受各方面因素的制约，过火土遗址往往与一般考古遗址混在一起，极少被单独提出进行针对性的保护研究。调查发现，在环境相同的情况下，过火土遗址的病害程度与一般土遗址相比出现两个极端的现象，即或者病害更加严重，或者几乎没有病害，这表明，过火土遗址的病害状况与其过火温度之间存在重要联系。因此有必要针对过火土遗址的过火温度进行研究，进而科学解释过火温度与过火土遗址病害之间的内在关联。

本文选取大河村遗址、钧窑遗址、牛河梁遗址和兵马俑遗址四个典型过火土遗址为研究对象。具体的方法是：将取自各个遗址点附近的生土制成标样，在一定温度下焙烧，检测焙烧后样品的热性能，再与四个遗址上所取过火土样品的热性能进行对比，从而推断各个遗址点红烧土的大致过火温度。

一、样品制备及取样

1.自制样品

分别从四个遗址附近选取干燥的次生黄土，去掉大颗粒，粉碎，过筛（20目），喷水搅拌均匀后密封存放72小时，使得水分扩散均匀。在温度20℃、空气相对湿度20%条件下，测定其稳定含水率为10%。

图一 100℃～900℃红烧土样品（从左至右）

制样工具包括内径Φ50mm×200mm的钢筒一个，Φ50mm×50mm的钢柱一个，Φ 50mm×100mm的钢柱一个，10吨千斤顶一个。将黄土压成Φ50mm×50mm的圆柱形土样。压制成一个Φ50mm×50mm圆柱形标准土样的湿土称取重量为160g，制备好的样品放在实验室内自然干燥，两个月后称取重量并计算得到平均值为139.79g。

把自然干燥后的土柱放在天津市泰斯特仪器有限公司生产的SX-4-10型箱式电阻炉控制箱（后文简称马弗炉）中，待温度升到预先设定好的温度后，恒温两个小时，自然冷却后取出样品，放在试验位置以备分析检验（图一）。

2.遗址本体取样

从遗址本体选取遗址红烧土样品，取样位置及样品概况见表一。

二、分析仪器

本文研究所使用的设备为Q600SDT TGA-DTA-DSC同步热分析仪器，该设备可同时测量样品的各种热数据。应用该仪器主要是探索遗址中红烧土的过火温度，方法是通过已知温度样品的测定摸索其中的规律再测定遗址中的红烧土，根据已有的规律和图谱解析遗址中红烧土的过火温度。

测试温度范围：室温至1300℃；重量灵敏度：0.1μg；应用范围：测定材料的热重曲线和热焓量变化曲线；生产厂家是美国Thermal Analysis公司。

三、分析测试及结果

1.大河村遗址红烧土过火温度初判

将取自大河村遗址附近的自制土样在几个固定温度下烧制红烧土样品，然后进行热分析，结果见图二。

从600℃样品的热分析曲线可以看出样品在600℃之前曲线平滑，没有热量的吸收峰值和重量的损失峰值，600℃～700℃之间出现明显的拐点；700℃样品的热分析曲线在702℃出现明显重量损失的拐点；800℃样品的热分析曲线和700℃的接近；900℃样品的热分析曲线在658℃～712℃温度段的失重很小，说明随着温度的提升，该区段的失重逐渐减小甚至趋于消失。

表一 几个过火土遗址的样品与取样情况

图二 大河村遗址不同焙烧温度下自制红烧土样品热分析曲线

这四个样品的热分析曲线与样品的焙烧温度之间的关系是：在样品的焙烧温度以下失重不会明显变化，而焙烧温度以上会出现大的失重，且温度越高，在658℃～712℃区段的失重越小。

图三为大河村遗址本体过火样品的热分析曲线图。图中显示，样品在100℃时有失重，这是吸附水的脱除。在570℃左右有轻微的吸热，这是石英的晶型转变；热重曲线一直在缓慢的下降。

从遗址样品的热分析曲线上看，遗址过火样品的失重曲线一直到1000℃都很平滑，由此可以推断样品的过火温度一定高于900℃，甚至在1000℃以上。

图三 大河村遗址本体过火样品热分析曲线图

图四 钧窑遗址自制红烧土（600℃）样品热分析曲线

2.钧窑遗址红烧土过火温度初判

钧窑遗址自制样本是在自然条件下彻底干燥后放在马弗炉中恒温两个小时、焙烧温度为600℃的红烧土样品。取少量制备好的样品进行热分析，结果见图四。

图五为遗址本体红烧土样品的热分析曲线。经对比可以看出，遗址本体样品在120℃左右出现吸热和质量损失，这是因为遗址中的红烧土样品较为潮湿，含有大量的机械结晶水。它们在600℃以后的重量损失基本相同，分别为0.6%和0.5%，热焓量曲线变化也基本相同。可以推断遗址中红烧土样品的过火温度在600℃左右。

图五 钧窑遗址本体样品热分析曲线图

3.牛河梁遗址红烧土过火温度初判

将牛河梁遗址取回的生土制备为红烧土样品，然后将样品分别进行热分析，结果见图六。

从400℃样品的热分析曲线可以看出在400℃之前样品重量损失仅为0.9%，是样品的吸附水重量，400℃之后重量损失突增2.1%。600℃样品的热分析曲线也同样在600℃之后重量损失突增2.4%，都与样品的已知焙烧温度相符合。

图六 牛河梁遗址自制红烧土样品不同温度热分析曲线

图七 牛河梁遗址本体样品热分析曲线图

牛河梁遗址本体样品的热分析曲线（见图七）在200℃之前重量损失3.3%，200℃～700℃之间重量损失2.1%，700℃之后曲线平直，样品重量趋于恒定。200℃之前除了由于样品中的结合水蒸发损失重量外，应该还有土壤中有机物分解所致的重量损失。200℃～700℃之间是无机质矿物的物相相互转变引起的重量损失。由此可以推断，牛河梁遗址本体的红烧土样品过火温度在700℃以下。

图八 兵马俑遗址本体样品热分析曲线

4.兵马俑遗址红烧土过火温度初判

根据以上三个遗址红烧土样品过火温度判断方法，将取自兵马俑遗址隔梁的红烧土样品进行热分析，试验结果见图八。

结合遗址样品矿物成分分析结果，根据已知矿物受热变化规律，可以对热分析曲线进行分析解释；并且从遗址中取回的红烧土样品量较大，足够直接作为加固保护材料选择试验所需的土样使用，因此不需要再模拟焙烧样品。

兵马俑遗址红烧土样品的热分析曲线图中，在707.39℃出现明显放热峰，这可能是土壤中的白云石受热发生了分解反应，由此推断样品的过火温度在700℃以下。热焓量变化曲线图中，891.46℃出现放热峰，可能是方解石的分解所致，更是印证了这一推断。热重曲线图中650℃以前重量损失超过5%，说明样品的过火温度可能不会超过650℃

四、结论与讨论

1.热重分析法测定红烧土温度是行之有效的方法。相关研究表明，土壤在焙烧过程中发生了一系列的变化，主要包括其烧失率、外观颜色、矿物成分、微观形貌、比表面积、机械强度等，这些性能参数的变化必然导致其物理、化学性质出现差异，进而导致红烧土遗址不同病害及不同严重程度的出现。但土壤所有参数的变化都是由于焙烧这个因素导致的，因此，通过对红烧土遗址过火温度的研究，可以从源头寻找遗址病害形成的主要原因。这将为遗址本体的保护提供可靠的数据支撑。

土壤的主要矿物组成是石英与钠长石，并且石英含量很高，在60%以上，而石英在被加热到573℃时有个α-石英与β-石英之间的相互转变，这时体积与比重都会增加，反映在热分析曲线上就会在573℃左右出现峰值。因此将遗址样品的热分析曲线作为判断遗址样品过火温度的一种方法是可行的。

2.四个典型红烧土遗址的过火温度获得科学解释。研究表明，方解石在焙烧时，自700℃开始分解，在930℃～970℃间分解完全；白云石自700℃左右开始分解，800℃和950℃有吸热反应发生，在差热曲线上700℃～800℃之间有吸热峰出现（兵马俑遗址的红烧土样品表现最明显），前者是碳酸镁的分解，后者相当于方解石的分解，反应放出大量CO2，重量约减少了41%；黄铁矿从约300℃时开始分解，氧气充分条件下，600℃左右结束生成 Fe2O3，放出 SO2；蒙脱石在 800℃～900℃分解；伊利石在800℃～900℃时，黏土矿物的晶格失去稳定性而瓦解，850℃～950℃之间开始生成镁和铁尖晶石。

3.红烧土遗址病害类型及严重程度与其过火温度密切相关，由于遗址所处环境也是导致红烧土遗址出现各类病害的主要因素因此需要排除环境因素，单独分析这一相关性。而环境因素的排除就需要结合进一步的单独实验才能完成。因而，在进一步的研究中，可以在相同环境下观察不同焙烧温度红烧土样品的病害发展及变化情况，从而获取更加准确的信息。