出土现场木质文物的快速无损健康评估方法研究

庞凌燕， 任 伟， 刘 辉， 李军奇， 朱建锋， 赵西晨， 于宗仁， 李梅英

(1.陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西省考古研究院， 陕西 西安 710054； 3.敦煌研究院， 甘肃 敦煌 736200； 4.湖南省文物考古研究所， 湖南 长沙 410008)

0 引言

文物是讲述历史的重要资料，是人类文明溯源的重要途经，对文物进行快速准确的健康评价并据此进行妥善保存具有重要意义[1].木质文物是一种天然复合材料，由高分子和小分子物质组成，极其容易受到环境侵蚀，保存状况不乐观[2].根据《可移动文物病害评估技术规程——竹木漆器类文物》，在木质文物面临的18种常见病害中，以饱水、糟朽、变色等最活动性病害最为严重，会对文物造成持续性严重损伤[3-4].

对出土木质文物进行及时准确地健康评价是进行文物保护的前提.常用的木质文物健康评价方法包括直接观察法和仪器分析法[5-7].直接观察法是将木质文物放置于适当光线条件下进行目视检查，观察有无饱水、残缺等病害，这种方法简单易行，但是其结果准确程度主要依赖观察者的经验积累，在一定程度上具有主观性.

随着科学技术的发展，通常会借助仪器分析法进行实验室检测.例如在评估木质文物含水率时，主要采用烘干法、红外光谱法和电导率法等.烘干法准确度高，但是需要对文物样品在103 ℃进行烘干处理，该操作会对文物造成不可逆破坏[8]；红外光谱法需要取少量样品压片，根据水的红外特征吸收峰来判断含水率，且需要相同树种的红外光谱作为参比，对于木质文物并不十分适用[9,10]；电导率法可以方便快捷的直接测量出含水率，然而测得含水率与绝对含水率会产生较大误差[11].在评价出土文物糟朽程度方面，最常用的是化学成分分析和显微切片观察法[12].化学成分分析需要破坏部分文物样本进行纤维素含量的化学检测，而显微观察法则要经过切片、染色、树种鉴定和对比判断等环节，过程相对复杂且具有较高的专业要求.

上述实验室分析方法均需要收集木质文物样本进行化学成分、显微结构、纤维素降解程度等实验室检测.这无疑会带来许多问题：首先，文物取样会造成文物本体的不可逆损坏，同时，实验室检测耗时较长，而出土发掘现场的环境突变，如短时间内的胎体失水、光照变色等，会给木质文物造成更加严重的不可逆破坏.因此，探索木质文物快速无损的健康评价方法尤为重要.

基于以上分析，本工作选取了出土现场对木质文物影响程度最大的3项指标：含水率、硬度和色差变化率作为健康评估因子，以墓葬常见树种金丝楠木作为研究对象，研究了含水率、硬度和色差变化率的无损检测方法，验证了各个方法的可行性和科学性，将测试结果以雷达图方式呈现，最终建立一种快速、无损、可视化健康评估方法.该方法在湖南鸡叫城遗址的发掘现场进行了应用示范，对出土现场5件木质文物进行了健康评估，与传统评估方法表现出高度一致的结论.

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

1.1.1 实验原料

金丝楠木，用于木材健康测评；氢氧化钠(分析纯，天津红岩化学试剂厂)；蒸馏水(分析纯，自制).

1.1.2 主要仪器

电子天平(Secura，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)；电热恒温干燥箱(WHL-65B，天津市泰斯特仪器有限公司)；微钻阻力仪(R650，上海点将科技股份有限公司)；木材水分仪(MD288，北京斯达沃科技有限公司)；邵氏硬度计(C型，厦门市弗布斯检测设备有限公司)；X 射线衍射仪(XRD-6100，日本Rigaku公司，Cu-Kα辐射的波长λ = 0.154 18 nm)；色度仪(MetavueVS3200，爱色丽(上海)色彩科技有限公司).

1.2 实验方法

1.2.1 金丝楠木样块制作

将金丝楠木按照50 mm ×50 mm ×80 mm切割成6个样块，分别命名为第1组(1-1、1-2)、第2组(2-1、2-2)、第3组(3-1、3-2)；其中第1组不做化学处理，第2组和第3组分别在质量浓度为10%的氢氧化钠溶液中浸泡24 h和48 h，之后用500 mL蒸馏水超声清洗10 min，再在烘箱中103 ℃下烘干6 h，如此重复三次，得到不同老化程度的金丝楠木样块.

1.2.2 金丝楠木含水率的测量

(1)绝对含水率测量

根据GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》进行绝对含水率测量.将6个样块分别在500 mL蒸馏水中浸泡12 h，取出后擦拭表面水分，用电子天平称量样块质量，之后放入103 ℃烘箱进行干燥处理，每间隔1 h使用电子天平称量样块质量，每次称量质量记为mabs；当相邻两次称重之间的质量差不超过样块质量的0.5%，即可结束称量，记录最后一次称量质量为m0，根据公式(1)计算样块在各个失水阶段的绝对含水率：

wabs=[(mabs-m0)/m0]×100%

(1)

(2)表观含水率测量

使用MD288型微波木材含水率仪进行测定.在测量绝对含水率时，每次用电子天平称量样块质量之后，立即用含水率仪压紧样块表面进行表观含水率的测量，数值记为wre；注意测量时应将含水率仪调节至1档，且保持3个触头同时紧贴在样块表面，为保证测量数值的准确性，需在样块的不同位置重复测量3次后取平均值.

(3)金丝楠木硬度与强度测量

每次在测量相对含水率之后，立即用邵氏硬度计(C型)测量样块硬度，将样块置于水平位置，将半球形钢制压足垂直压入试样的表面，当压足和试样的表面完全贴合时，读取仪表盘显示的硬度值[13].在样块不同位置重复测量3次取平均值.另外，在所有测试完成之后，用微钻阻力仪顺着样块8 cm边方向测量1-1、2-1和3-1的体相阻力，作为体相强度的衡量依据，用以评估硬度与强度的相关性.

(4)金丝楠木色度测量

首先测量未经任何处理的金丝楠木作为基准；每2 h将样块置于色度仪的样品台，进行测度测量，记录ΔE作为色度变化值；注意在首次测量后应作简单标记，后续每次的色度测量均在相同位置进行.

2 结果与讨论

本研究拟用无损的表面硬度测试、表观含水率测试方法代替有损的体相强度测试和热失重绝对含水率测试.因此首先研究表面硬度与体相强度的关系，以及表观含水率与绝对含水率的关系.

2.1 表面硬度与体相强度的对应性分析

木质文物的体相强度是决定其能否正常发掘的主要因素.首先，通过微钻阻力仪对样块1-1、2-1、3-1进行强度测试.微钻阻力仪主要利用微型钻针在电动机的驱动下，以恒定的前进速率和旋转速率钻刺入木材内部，记录相对阻力值并以阻力曲线形式测量路径上木材内部的密实度状况，是基于无损检测方法对木材力学性能进行快速预测的有效手段[14,15].测试结果如图1所示，在3个样块中，未经过氢氧化钠处理的1-1表现出了最高强度，2-1、3-1的强度依次降低.这可能是由于样块2-1和3-1在氢氧化钠溶液中浸泡时间增加，非结晶态的纤维素在碱性条件下发生水解造成的.

图1 金丝楠木样块1-1、2-1、3-1的体相强度测试

XRD图谱也可以在一定程度上说明样块中纤维素的减少，如图2所示，22 °的衍射峰通常为结晶纤维衍射峰，15 °～20 °之间的衍射峰为非结晶态纤维素[16]，若将1-1、2-1、3-1在22°的衍射峰进行归一化处理，可以发现在15 °～20 °之间的非结晶态纤维素衍射峰逐渐降低，这意味着非结晶态纤维素的逐渐流失，纤维素的分解与流失是导致木材强度降低的根本原因.通过微钻阻力实验辅以XRD实验基本可以说明上述3个样块的强度顺序为1-1>2-1>3-1.

图2 金丝楠木样块1-1、2-1、3-1的XRD图谱

图3为表面硬度测试结果，发现随着加热时间增加，所有样块的表面硬度都有所增强，这可能是由于样块中水分的减少导致纤维素排列致密造成的；样块1-1、2-1和3-1的初始表面硬度分别为93 HC，90 HC和81 HC，经过11 h的处理后，最终表面硬度分别可以达到96 HC，94 HC和92 HC，表面硬度顺序符合1-1>2-1>3-1，与微钻阻力仪所测试的体相强度相一致，说明了以无损的表面硬度评估代替有损的体相强度测试的方案是可行的.

图3 样块1-1、2-1、3-1的表面硬度测试

2.2 绝对含水率与表观含水率的多元拟合转换

通过微波含水率仪可以快速测得木质文物的含水率，但是该测试含水率wre与热失重法测得的绝对含水率wabs之间存在一定的差异，因此，获得测试含水率与绝对含水率之间的对应关系，是实现含水率的快速、无损、准确检测的基础.表1分别为样块1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2的表观含水率、绝对含水率和硬度测试结果.

表1 金丝楠木样块的绝对含水率、测试含水率和硬度的对应关系

续表1

直接对表观含水率wre和绝对含水率wabs的关系进行二元拟合发现，在同一样块中，随着表观含水率的升高，绝对含水率的确会相应增加；但是在不同的测试样块中，二者并不具有准确的对应关系，如图4所示.

图4 绝对含水率与表观含水率的二元拟合曲线

例如，样块1-1第2小时测试表观含水率为25.4%，对应绝对含水率为40.9%，然而样块3-1在第6小时测试表观含水率为25.5%时，其绝对含水率则高达66.9%，因此，仅通过表观含水率无法准确获得绝对含水率.这是由于木材的绝对含水率在很大程度上还会受到木材糟朽程度的影响，绝对含水率应该体现为表观含水率和强度综合影响的结果[17].为了更准确的表达绝对含水率与表观含水率的关系，以表观含水率wre、硬度y作为自变量，绝对含水率wabs作为因变量进行三元拟合，发现三者符合多元线性回归方程(2)所描述的关系(图5)，该方程对应的线性系数R2=0.990，说明方程(2)具有较高的拟合优度，可以较为准确地描述金丝楠木样块的绝对含水率与表观含水率及硬度之间的关系.

wabs=0.54×wre-3.44×y+315

(2)

图5 绝对含水率与测量含水率、硬度的三元拟合曲面图

上述研究证明，通过含水率仪和邵氏硬度计可以快速、无损地完成金丝楠木样块的表观含水率及表面硬度的测试，借助方程(2)则可以进一步将表观含水率和硬度数据转化成绝对含水率，从而避免了使用热失重法直接对木质文物进行的绝对含水率的检测，尽量减少了对文物的不可逆破坏.

2.3 色差变化率分析

图6给出了样块1-1，2-1和3-1在10个小时内的色度照片，可以看出各个样块颜色变化均不明显，裸眼难以分辨.图7为色差值△E随时间的变化，可以看出各样块的色差值均不超过1 NBS，且变化率小于0.1 NBS/h，因此，均属于微小色差，说明样块的颜色较为稳定，不易受环境影响.

图6 样块1-1、2-1、3-1的色度图

图7 样块1-1、2-1、3-1的色差变化率

2.4 样块的健康评估雷达图

通过综合分析金丝楠木的正常含水率、饱水含水率、正常硬度、糟朽硬度以及色差与视觉阈值[18-20]，将硬度、含水率和色差变化率3个指标进行分段赋分，赋分标准如表2所示.

表2 金丝楠木各健康因子的得分指数

将样块1-1，2-1和3-1的硬度、含水率、色差变化率分别按照表2进行赋分，结果列于表3并绘制雷达图(图8)，图中对应面积越大的样块，健康程度越高，可以看出3个样块的健康状况均很好；其中样块1-1健康状况最佳，而样块3-1保存状况稍差，主要应关注硬度和含水率问题.

表3 样块1-1，2-1，3-1各健康因子得分

图8 样块1-1，2-1和3-1的健康评价雷达图

值得注意的是，由于不同树种其含水率与本征硬度差别较大，因此对于不同材质的木质文物，表观含水率与绝对含水率的代换公式(方程(2))不同，表2各健康因子的得分指数也不一样，应根据具体的树种制定相应的代换公式和得分指数.

2.5 鸡叫城遗址的实际应用

依托湖南鸡叫城遗址现场的大量金丝楠木的木质构件对该方法进行了应用验证，所得数据列于表4，雷达图展示结果如图9所示.

表4 鸡叫城遗址各木质构件得分

图9 鸡叫城遗址木质构件的健康评价雷达图

在选取的5个木质构件中，1～4号构件保存状况优良，可以正常发掘，其中1号构件表现出较大的色差变化，在发掘过程中应当注意尽量避光；5号构件保存状况较差，含水率和硬度提示该构件糟朽较为严重，在提取过程中应当注意机械加固和保湿，以防发掘过程出现断裂或者失水过快导致干缩和开裂.上述结论与实验室检测结果高度吻合.

3 结论

本工作通过微钻阻力实验、XRD测试和表面硬度测试证明了木质文物的表面硬度可以在很大程度上反映体相强度；完成了表观含水率和表面硬度对绝对含水率的多元拟合，建立了依托无损检测方法的健康评价方法体系.在湖南鸡叫城遗址对5件木质构件的评价结果与实验室检测结论高度一致，说明了该方法的科学性与可行性，同时该方法可以实现快速、无损检测，适合于珍贵木质文物的健康评估.该工作可以对发掘现场木质文物乃至其他材质文物的快速高效评估与针对性保护研究提供一定的思路.