天水石作瑞故居土质墙体盐害现状调查与分析

欧秀花，常晓丽，张睿祥

（1.天水师范学院 化学工程与技术学院，甘肃 天水 741001；2.中国科技大学 人文与社会科学学院，安徽 合肥 230026）

石作瑞故居位于甘肃省天水市秦州区西关街道解放路石家巷，是清乾隆时期川南永宁道道台石作瑞居住的宅院。该建筑群始建于清代早期，原有大小七座院落，平面呈北斗七星布局，占地约4000m2。现存院落共5座，1号、2号院在巷道东侧，4、5、6号院在巷道西侧，每个院落形成封闭式的四合院。其中，5号院以“伏羲九宫八卦图”形制构建，尤为特殊。2002年6月，石作瑞故居被天水市历史文化名城保护委员会公布为“保护院落”。2003年7月，石作瑞故居被甘肃省文物局确定为第六批省级文物保护单位。

受到土体自身脆弱性的制约，以及温湿度、人为破坏等因素的影响，石作瑞故居土质墙体存在许多病害，尤以盐害危害最大。盐分，特别是可溶性或微溶性盐在土质墙体表面聚集，削弱了土体颗粒之间的联结力，拉大了土体颗粒之间的距离，造成土体表面泛白，严重时可引起土体脱落、酥粉、掏蚀凹进。石作瑞故居部分墙体曾经于2010年前后进行维修，但由于土质墙体未进行有效的脱盐处理，加上修复材料所带有的盐分，目前土质墙体局部出现剥落、酥粉等病害，已经影响到石作瑞故居土质墙体的长久保存。

本文以石作瑞故居现存5处院落的土质墙体为研究对象，以盐害最为严重的1号院落土质墙体为重点研究对象，通过调查土质墙体盐害现状，分析土的性质和盐分的种类及含量，探索石作瑞故居土质墙体盐害的表现形式、形成原因、盐分的分布规律。本研究不仅为石作瑞故居土质墙体的保护研究提供参考依据，而且对其他古民居土质墙体的保护研究也具有一定的现实意义。

1 石作瑞故居的建造技法、赋存环境及盐害表现

1.1 石作瑞故居土质墙体的建造技法

石作瑞故居土质墙体在建造时已经充分考虑到天水的气候特点及取材的方便，以适宜、廉价的土坯作为建筑用材。资料显示，[1]当厚度达到30cm以上时，土坯砌筑成的墙体具有良好的保温隔热效果。石作瑞故居墙体主要由下碱和土质墙体两部分构成。下碱是由长约25cm、宽约18cm、高约5cm的青砖砌筑，土质墙体是由长约40cm、宽约18cm、高约5cm的土坯按照三平一侧、全顺上下错缝等方式砌筑而成。土质墙体在砌筑过程中掺加石子、木板、砖瓦片等加筋材料，土坯外面抹上厚约1 cm的草拌泥，草拌泥外层再抹上一层或几层白灰。

1.2 石作瑞故居土质墙体的赋存环境

石作瑞故居所处的天水市秦州区位于甘肃省东南部，地处陇中黄土高原与陇南山地的过渡地带。这一地区介于北纬34°05'～35°10'和东经 103°35'～106°44'之间，属温带季风气候，年平均气温在6～11℃之间，最大风速21m/s。[2]受季风气候的影响，秦州区降水量季节分配很不均匀，冬季较少，夏秋之交最为集中，7～9月之间降水尤为集中，降雨量可达361.2mm。

石作瑞故居位于天水秦州区藉河谷地，地势低洼，地下水位高，秦州区地下水中NO3-、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+含量较高，总硬度为17.2mg·L-1，pH值为7.8。[3]经调查发现，民居基础部位低于周围地平面约1.2m，见图1。1号院落倒座的后墙边有排污通道，靠近下碱部位的土质墙体破坏严重，见图2。

图1 石作瑞故居基础部位低于周围地面

图2 石作瑞故居1号院排污通道

近年来，天水周边工业的发展以及冬季供暖等过程中排放的大气污染物浓度不断升高，[4]如氮氧化物、硫氧化物等有害物质，加之保护理念相对落后、公众保护意识不强、保护管理相对滞后，石作瑞故居土质墙体的损坏速度明显加快。

1.3 石作瑞故居土质墙体的盐害表现

石作瑞故居土质墙体的盐害主要表现在以下几个方面。

1.3.1 泛白、酥粉

泛白、酥粉是土质墙体盐害最常见的表现形式。石作瑞故居土质墙体出现泛白、酥粉主要有两方面的原因：一是物理作用。物理作用引起土质墙体内部的可溶性盐不断溶解-结晶-再溶解-再结晶，造成土体内应力增大，土体颗粒之间的联结力减小；二是化学作用。当水分存在时，土体中的硫酸钙等物质会与水结合形成水合盐，如CaSO4·2H2O等。这种水合盐在室温下不太稳定，当空气干燥时易失去结晶水。这一过程中发生的化学变化，也会引起土质墙体出现泛白、酥粉现象。土质墙体的泛白、酥粉现象，见图3。

图3 土质墙体泛白、酥粉

1.3.2 片状或块状剥离

石作瑞故居土质墙体外层涂覆材料石灰，可与空气中的CO2作用，形成坚硬的白色物质CaCO3，它具有抵抗风雨等外界营力破坏的能力。然而，这种坚硬的保护层易造成土质墙体表层与内部产生应力差异。当土体出现干湿循环变化时，靠近墙体下碱部分的盐分运移较为活跃，易形成盐分的局部聚积。因此，土质墙体表层极易与内部形成新的分界面，从而引起土质墙体出现片状或块状剥离。石作瑞故居土质墙体片状或块状剥离现象分布最广，主要集中在1号院落的倒座、正房、东西厢房，2号院落的西厢房，5号院落西厢房，6号院落的倒座、东西厢房，见图4。

图4 土质墙体泛白、剥离

1.3.3 掏蚀凹进

石作瑞故居墙体下碱由砖砌筑而成。研究表明，[5]粘土型烧结砖属于多孔性材料，含有硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠、硫酸钾、硝酸钾等物质。当空气湿度较大时，砖中的可溶性盐溶解在水中，并随着水分发生迁移。若土质墙体与砖直接接触，砖中的盐分会迁移到土质墙体之中。这类物质通过溶解-结晶-再溶解-再结晶在土体内部或表层转化或富集，增大土体颗粒之间的压力和孔隙，降低土体颗粒的团聚性，从而造成土体颗粒变小、粉化。[6-8]当盐分与温度、湿度等因素共同作用时，这种作用具有不可逆性，会引起土质墙体局部支撑力下降，出现掏蚀凹进现象。掏蚀凹进现象主要发生在石作瑞故居1号院落和6号院落，见图5和图6。

图5 墙体的酥粉、凹进

图6 与土体接触的砖墙表面析出盐

2 实验部分

2.1 实验仪器

精密pH计；电导率仪；超声波清洗器；真空干燥箱；体式显微镜；扫描电子显微镜；离子色谱仪。

2.2 实验方法

2.2.1 土样的采集与处理

2.2.1.1 样品采集

为减少盐分运移对土质墙体产生的破坏，必须查明盐分的类型、含量、分布规律，以便制定科学合理的保护措施。考虑到天水市秦州区冬季干燥，盐分析出较为明显，本研究在12月份前后采集1号院倒座后墙的土体进行检测分析。样品采集遵循文物保护中“最小干预原则”，取样量在满足实验要求的同时，应尽可能少取样。

具体方法如下：

土样：在距离墙体下碱一定高度处，用羊毛刷将土样清扫至硫酸纸上，转移至自封袋中密封保存。样品采集点，见图7。

图7 样品采集点示意图

析出的盐分：用小铲刀取墙体下碱部分带有盐分的土，转移至自封袋中密封保存。

2.2.1.2 土体浸出液的制备

称取过筛（1mm筛）的风干土样50g，精确至0.01g，置于广口瓶中，按土、水比例1:5（质量∶体积）加入去除CO2的蒸馏水，放入超声波清洗器中超声振荡3min。静置30min后，减压过滤后，再用离心机离心，所得的透明滤液即为土的浸出液，以下简称浸出液，贮于细口瓶中供分析用。[9]工作参数：温度25℃，功率3000w、离心转速3000 r· min-1。

2.2.2 土体含水量的测定

参考标准《土工试验方法标准GB/T 50123-2019》，采用烘干法测定土样的含水量。[9]

2.2.3 土体pH值的测定

参考标准《土工试验方法标准GB/T 50123-2019》，采用pH计测定土体浸出液的pH值。[9]

2.2.4 土体盐分的测定

2.2.4.1 电导法：电导法是快速准确测定土体中可溶盐的方法。利用DDS-307型电导仪测试上述浸出液电导率，参照含盐量与电导率的比值计算，因测得读数为在25℃时的电导率，单位为μs·cm-1，土体溶液含盐总量可依据C=α×S计算。式中，C为溶液含盐量，单位：mg·L-1；α为含盐量与电导率的比值，可依电导率数值区间来决定。当电导率值在1000～1500μs· cm-1时，α值为0.75。当电导率值在1500～2000μs·cm-1时，α值为0.77；S为电导率，单位为μs·cm-1。电导率和含盐量在一定范围内呈线性关系。电导率越大，说明土体可溶盐总量越多。[10,11]

2.2.4.2 离子色谱分析法：采用DIONEX ICS-90型离子色谱仪，阴离子分析用淋洗液为12.0mmol·L-1Na2CO3，阳离子分析用淋洗液为20mmo1·L-1甲烷磺酸，进样体积为10μL。将样品研磨后装入专用样品袋，105℃烘箱中烘干2h，冷却至室温称重，蒸馏水溶解，超声波清洗器超声提取20min、脱色摇床振荡1h，再用过滤器过滤，将所得溶液定容至50mL，待测。工作参数：超声振荡功率3000w。

2.2.5 形貌观察

利用体式显微镜观察析出的针状结晶；采用SEM观察析出盐分的结构。测试方法：将表面析出盐分的土样制成约5mm×5mm×2mm大小样块，保持其表面原始状态，用导电双面胶固定在金属载物台上，喷金处理后进行SEM测试。

3 结果与讨论

3.1 电导率和含盐总量

土体的电导率、含盐总量的测定结果，见表1。

表1 土样的电导率、含盐量总量测试结果

由表1可知，随着距离墙体下碱高度的增大，墙体土的电导率和含盐总量均呈现先增大后减少的变化趋势。当距离墙体下碱60cm处，土体的电导率达到最大值，其值为1930μs·cm-1，含盐总量为7.39g·kg-1，超过黄土饱和含盐量3.0g·kg-1。[12]

由表1也可得知，麦草的电导率和含盐总量均大于墙体土。这是由于麦草属于纤维类材料，具有较强的吸附润胀性，会加快砖中的盐类物质向土质墙体的迁移速度，促进盐分在麦草内部的聚集。

与取样点直接接触的砖面，其电导率和含盐总量远大于墙体土。随着水分的运移，构成墙体下碱的粘土型烧结砖中的硫酸钠等物质也会向土体中迁移、转化、富集，[11]进而造成石作瑞故居部分土质墙体出现掏蚀凹进等现象。

3.2 含水量

水分作为盐分运移的媒介，可促进盐分在土质墙体中迁移和聚集，加快盐害的发生速度。因此，土体含水量的测定显得极为重要。土体含水量的测定结果，见图8。

图8 含水量的测定结果

由图8可知，随着距离墙体下碱高度的增大，土样的含水量呈现递减的变化趋势。当距离墙体下碱高度为0cm时，土体含水量最高，其数值为11.10%。当距离墙体下碱高度为100cm时，土体的含水量为4.10%。天水市秦州区冬季空气相对干燥，因而土体中所容纳的水分也会相对减少。也就是说，在降水量相对集中的7～9月，石作瑞故居部分土质墙体中的含水量会大于11.10%。研究表明，[13]盐分是以水溶液的形式迁移的，盐害的发生速度是随着土体含水率的减小而减少。在水分蒸发过程中，微溶-可溶性盐从湿区向干区迁移并在土体内部或表层富集，引起土体内应力增大，土体颗粒之间的联结力减小，造成土体体积膨胀、土体强度下降。

此外，水作为强极性溶剂，具有溶蚀作用，能加快盐分的溶解速度。[14]当盐类物质溶于水后，盐分的结晶作用所产生的膨胀力会引起土体开裂疏松。在外界营力作用下，土质墙体易出现层状脱落、凹进或酥粉现象。因此，土体含水量较高正是石作瑞故居土质墙体发生酥粉、掏蚀凹进等病害的重要原因之一。

3.3 pH值

由图8可知，随着距离墙体下碱高度的增加，土样的pH值呈现先增大后减小的变化规律，可能与土体所含有的NO3-、HCO3-、SO42-、Ca2+等离子的含量有关。石作瑞故居土质墙体pH值大于7，这与《秦州区志》所记载的土体pH值数据相符。[3]

3.4 离子色谱分析

土样中离子的种类及含量测试结果，见表2。

表2 土样中离子的种类及含量测试结果

由表2可知，土体中的阳阴离子主要以K+、Ca2+、Na+、NO3-、Cl-、SO42-形式存在。随着距离墙体下碱高度的增加，以上几种离子的含量多呈现先增大后变小的变化规律。当距离墙体下碱60cm时，离子总量达到最大。Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量变化范围分别为3.89～4.91g· kg-1、1.78～14.60g · kg-1、5.43～8.44g · kg-1、1.46～2.69g·kg-1；NO3-、Cl-离子含量变化范围分别为25.29～66.74g · kg-1、5.19～10.50g · kg-1。然而，SO42-含量呈现先减少后增大再减少的变化规律，其含量变化范围为5.36～20.02g·kg-1。这可能与距离墙体下碱60cm～80cm处麦草吸附的盐分有关。

此外，与土质墙体直接接触的墙体下碱中的离子总量均大于土质墙体，主要有Na+、K+、Ca2+、NO3-、SO42-离子。在水分的蒸发作用和毛细作用下，砖中盐类物质向土体中迁移富集，削弱土体的团聚力，导致土体散体化、颗粒化。

3.5 显微观察

土体表面析出盐的显微观察结果，见图9。

图9 土体表面析出盐的分布及其形态

由图9可知，析出的盐分呈针状或片层形态并聚集在土体的表面或填充于土体孔隙之间，造成土体呈现泛白现象。研究表明，[13]随着水分的蒸发，盐分会发生结晶并富集在土体表层或内表面。若水分的蒸发界面位于土体表面，水分蒸发后，溶解于水中的可溶盐就会处于过饱和状态，形成针状或片状等形态的结晶滞留在土体表面并析出，呈现图9（a）所示的盐分结晶。若水分的蒸发界面位于土体表层以下的某个位置，水分蒸发后，可溶盐失去了运移载体，就会滞留在土质墙体立面上，呈现图9（c）所示的盐分结晶。在重力的作用下，土体的表层极易脱落，析出的盐分清晰可见。调查发现的石作瑞土质墙体某些部位轻轻触动，就会出现土体剥落现象也证实了这一结论。

4 结论及今后进一步的研究目标

4.1 结论

4.1.1 石作瑞故居土质墙体的盐害主要发生在基础部位，表现为泛白、酥粉、掏蚀凹进、片状或块状剥离等，且主要出现在墙体下碱以上0～80cm范围内。盐害的形成与石作瑞故居土质墙体自身的性质及其赋存的环境、建造技法、建筑用材等密切相关。

4.1.2 随着距离墙体下碱高度的增加，土体的含水量呈现递减的变化规律，而pH值、电导率和含盐量则呈现出先增大后减小的变化规律。土质墙体中主要有 K+、Ca2+、Na+、NO3-、Cl-、SO42-等离子，这些离子在温湿度等外界营力协同作用下发生迁移聚集，造成石作瑞故居土质墙体出现酥粉、脱落、掏蚀凹进现象。

4.2 今后进一步的研究目标

本研究仅重点对石作瑞故居盐害表现形式、形成原因以及盐害最为严重的1号院倒座盐分分布规律进行了分析，未深入开展其他院落墙体盐害研究工作，比如盐分在水平方向的分布规律等。因而，根据石作瑞故居盐害状况及其所在地区的气候环境、建造技法、建筑材料等实际情况，参考近年来学术界对岩土类文物的研究成果，如采用红外热成像技术等检测技术、脱盐技术、改善周围环境等措施，深入开展石作瑞故居土质墙体的盐害综合治理工作，能最大程度地保护石作瑞故居土质墙体是今后进一步的研究目标。