邱立萍 張曉鳳

摘要 對(duì)墓葬壁畫地仗層的吸-放濕動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，通過設(shè)計(jì)吸-放濕實(shí)驗(yàn)，模擬地仗試塊的吸-放濕過程，并繪制相應(yīng)的吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線，使用模型對(duì)試塊的吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行擬合。研究結(jié)果表明，墓葬壁畫地仗層的吸、放濕過程均呈現(xiàn)出“先快后慢”的特點(diǎn)，“吸濕期”時(shí)間明顯比“飽和期”時(shí)間更短，但吸濕量卻達(dá)到了吸濕平衡時(shí)吸濕量的80％左右，放濕過程展現(xiàn)出同樣的規(guī)律。在吸-放濕過程后試塊的含濕率相較于試塊初始含濕率更高，即有部分水分殘留在壁畫地仗層中。模擬地仗試塊的吸濕動(dòng)力學(xué)曲線和放濕動(dòng)力學(xué)曲線分別符合雙指數(shù)模型和一階指數(shù)模型，R2>0.988，擬合效果較好。

關(guān)鍵詞 墓葬壁畫;地仗層;吸-放濕動(dòng)力學(xué)；壁畫病害

中圖分類號(hào)：X53? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2023-01-010

Research on the dynamic characteristics of moisture absorption and

desorption of the wall painting plaster of tomb murals

QIU Liping，? ZHANG Xiaofeng

（School of Water and Environmental， Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological

Effects in Arid Region Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， China）

Abstract The dynamic characteristics of moisture absorption and desorption of the ground support layer of the tomb mural were studied. Through the design of the moisture absorption and desorption test， the moisture absorption and desorption process of the simulated ground support test block was monitored and the corresponding dynamic curve of moisture absorption and desorption was drawn. The model was used to fit the dynamic curve of moisture absorption and desorption of the test block. The research results show that the moisture absorption and desorption process of the ground support layer of the tomb mural shows the characteristics of first fast and then slow， and the moisture absorption period and dehumidification period in the early stage of the moisture absorption and desorption process are significantly shorter than the saturation period and stability period in the late stage of the moisture absorption and desorption process. The moisture content of the test block after the moisture absorption and desorption process is higher than the initial moisture content of the test block， that is， some water remains in the ground support layer of the mural. The moisture absorption dynamic curve and moisture release dynamic curve of the simulated plaster test block respectively conform to the double exponential model and the first-order exponential model， R2>0.988， and the fitting effect is good.

Keywords wall painting of tomb murals; plaster; moisture absorption and desorption dynamics; mural disease

壁畫作為一種歷史文化的實(shí)物載體，具有非常高的藝術(shù)、歷史及科學(xué)研究?jī)r(jià)值［1-4］，是人類發(fā)展進(jìn)程中十分重要的文化遺存。但由于壁畫文物長(zhǎng)期暴露于空氣環(huán)境中，受到環(huán)境及人為等因素的影響［5］，遭受到各種病害的侵蝕，其中，酥堿病害便是對(duì)壁畫破壞性最強(qiáng)的病害之一，是壁畫地仗層中水分遷移帶動(dòng)鹽分遷移所產(chǎn)生的一種鹽分表聚現(xiàn)象［6］，而環(huán)境中的水蒸氣是導(dǎo)致壁畫酥堿病害產(chǎn)生的水分來源之一［7］。墓葬壁畫地仗層作為一種非飽和土，當(dāng)保存環(huán)境中的相對(duì)濕度發(fā)生變化，地仗層會(huì)相應(yīng)進(jìn)行吸濕和放濕，這會(huì)導(dǎo)致地仗層中的鹽分向壁畫表面遷移［6］，最終使壁畫表面產(chǎn)生鹽害。因此，研究壁畫地仗層的吸-放濕動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于研究壁畫鹽害的形成與發(fā)展規(guī)律具有重要的意義。

現(xiàn)有的研究成果主要集中在壁畫病害的產(chǎn)生機(jī)制及發(fā)展規(guī)律等方面，郭宏等發(fā)現(xiàn)空氣濕度的高低起伏變化會(huì)使得可溶鹽在地仗層中富集［8］;張明泉等研究了壁畫酥堿病害并提出了“無水則安， 有水則患”的觀點(diǎn)［9］;陳港泉等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壁畫保存環(huán)境中的相對(duì)濕度到達(dá)臨界值之后，可溶鹽可能會(huì)被激活并在壁畫表面富集，使壁畫產(chǎn)生病害［10］;靳治良等對(duì)文物本體中NaCl和Na2SO4的遷移規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)NaCl的表觀遷移速率比Na2SO4更大［11］;諶文武等研究了壁畫地仗層的土-水特性，發(fā)現(xiàn)環(huán)境中濕度的變化會(huì)使地仗層的含水率產(chǎn)生比較明顯的變化［12］;Kuchitsu等人調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，混合鹽溶液中鹽分隨水分的運(yùn)移是使得土質(zhì)文物出現(xiàn)鹽害問題的根源所在［13］?？梢钥闯觯?dāng)前研究對(duì)于壁畫地仗層的吸-放濕動(dòng)力學(xué)特性方面的報(bào)道還較少。

本文通過設(shè)計(jì)吸-放濕實(shí)驗(yàn)，以模擬地仗試塊為對(duì)象，對(duì)壁畫地仗層的吸-放濕動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，為壁畫病害的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料的采集

墓葬壁畫的制作一般為就地取材，通常以當(dāng)?shù)氐耐?、砂、麥秸稈以及植物纖維等作為制作材料［14］。因此，本次實(shí)驗(yàn)選取陜西省渭南市蒲城縣某墓室附近未擾動(dòng)土壤、砂樣以及當(dāng)?shù)氐柠溄斩捄椭参锢w維作為制作模擬地仗試塊的原材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料的處理

1.2.1 脫鹽處理

根據(jù)GB／T 50123—2019標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土樣脫鹽［15］。將采集到的土樣經(jīng)破碎處理后過0.56 mm的篩網(wǎng)，保留篩下樣，將蒸餾水和篩下樣以水土比5∶1加入樣品桶，用攪拌工具沿順時(shí)針攪拌30 min，使土壤樣品中的鹽分充分溶解。停止攪拌，靜置混合溶液直至溶液澄清，以倒虹吸法抽出上清液，抽出溶液后的土樣經(jīng)過濾裝置過濾，撇去水分。再次加入蒸餾水反復(fù)脫鹽3～4次，對(duì)土樣電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)定，以電導(dǎo)率換算離子含量，當(dāng)土體內(nèi)總含鹽量不超過0.1％則視為脫鹽結(jié)束［16］。采用同樣的方法對(duì)原材料砂、麥秸稈和植物纖維進(jìn)行脫鹽處理，防止原材料中自有的鹽分對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來干擾。

1.2.2 擊實(shí)曲線的測(cè)定

根據(jù)GB／T 50123—2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擊實(shí)實(shí)驗(yàn)［15］，選擇輕型擊實(shí)儀，通過干土法制備擊實(shí)土樣，然后繪制擊實(shí)曲線，曲線上的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)即為土樣的最佳含水率和最大干密度。4種土樣的擊實(shí)曲線見圖1，各土樣對(duì)應(yīng)的最佳含水率和最大干密度見表1。

1.2.3 制備模擬地仗試塊

為了對(duì)比不同加筋材料以及試塊內(nèi)原有鹽分對(duì)壁畫地仗層吸-放濕動(dòng)力學(xué)特性的影響，本次實(shí)驗(yàn)共制作了4種模擬地仗試塊（脫鹽粗泥試塊、脫鹽細(xì)泥試塊、未脫鹽粗泥試塊、未脫鹽細(xì)泥試塊），為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種模擬地仗試塊分別制作了3塊樣品，并對(duì)各試塊進(jìn)行編號(hào)。將3塊脫鹽粗泥試塊分別表示為TC-1、 TC-2和TC-3；3塊脫鹽細(xì)泥試塊分別表示為TX-1、 TX-2和TX-3；3塊未脫鹽粗泥試塊分別表示為WTC-1、 WTC-2和WTC-3；3塊未脫鹽細(xì)泥試塊分別表示為WTX-1、 WTX-2和WTX-3。參照古代壁畫地仗層的材質(zhì)配比來配制模擬地仗試塊［17-18］，具體成分配比見表2。

在確保試塊的大小不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響前提下，選擇體積相對(duì)較小的試塊來開展吸-放濕實(shí)驗(yàn)，使試塊能夠以更短的時(shí)間達(dá)到濕平衡［19］，故本實(shí)驗(yàn)中模擬地仗試塊的規(guī)格選用Φ50 mm×H50 mm。采用擊實(shí)曲線得到的最佳含水率及最大干密度參數(shù)來制備模擬地仗試塊，主要制備過程為［20］：粉碎→過篩→脫鹽→烘干→再次粉碎→再次過篩→拌樣→燜樣→壓樣→烘干。為模擬地仗試塊的吸-放濕過程，得到試塊單位面積的吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線及平衡參數(shù)，需使用保鮮膜對(duì)制備好的地仗試塊四周作隔濕處理，隨后放入40 ℃烘箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至試塊質(zhì)量恒定。

2 吸-放濕實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，陜西省渭南市蒲城縣某墓室內(nèi)空氣相對(duì)濕度為22％～97％，溫度約13℃。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)選取溫度t為15℃，相對(duì)濕度RH為98％和23％的條件下開展吸-放濕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示，利用表3中的過飽和鹽溶液控制實(shí)驗(yàn)的相對(duì)濕度環(huán)境，并且將保濕器置于LHS-80HC-1型恒溫恒濕箱中，通過恒溫恒濕箱控制實(shí)驗(yàn)的溫濕環(huán)境。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

吸濕實(shí)驗(yàn)：將養(yǎng)護(hù)后的模擬地仗試塊置于圖2所示的試驗(yàn)裝置內(nèi)，在RH=98％的濕度環(huán)境下進(jìn)行吸實(shí)驗(yàn)。開始時(shí)每隔3 h對(duì)試塊稱重1次，共計(jì)10次;隨后每隔6 h對(duì)試塊稱重1次，共計(jì)8次;然后每隔12 h對(duì)試塊稱重1次，共計(jì)8次;最后每隔24 h對(duì)試塊稱重1次，直至吸濕達(dá)到穩(wěn)定（連續(xù)稱取2次試塊質(zhì)量的變化率<10-4 g／h）。記錄試塊吸濕過程中的質(zhì)量變化以及達(dá)到吸濕平衡所需的時(shí)間。

放濕實(shí)驗(yàn)：模擬地仗試塊在RH=98％的濕度環(huán)境中吸濕達(dá)到穩(wěn)定后，迅速將模擬地仗試塊轉(zhuǎn)移至RH=23％的濕度環(huán)境中進(jìn)行放濕試驗(yàn)。開始時(shí)每隔12 h對(duì)試塊稱重1次，共計(jì)8次;隨后每隔24 h對(duì)試塊稱重1次，直至放濕達(dá)到平衡（連續(xù)稱取2次試塊質(zhì)量的變化率<10-4 g／h）。記錄試塊放濕過程中的質(zhì)量變化以及達(dá)到放濕平衡所需的時(shí)間。

數(shù)據(jù)處理：① 參照GB／T 20312—2006標(biāo)準(zhǔn)［19］，計(jì)算出模擬地仗試塊單位面積的含濕率并繪制吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線。② 對(duì)吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行擬合，找出適合該曲線的擬合模型。

3 結(jié)果與討論

3.1 吸放濕動(dòng)力學(xué)曲線

以時(shí)間和試塊單位面積含濕率為橫、縱坐標(biāo)繪制吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線，曲線的斜率大小可以反映出吸、放濕速率的快慢。4種模擬地仗試塊單位面積的吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線見圖3。

由圖3可知，吸濕過程對(duì)應(yīng)曲線前期，斜率較大，吸濕速率較快，在吸濕過程持續(xù)100 h左右時(shí)出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，隨后曲線斜率明顯減小并緩慢趨近于0，吸濕速率放緩，直至吸濕達(dá)到穩(wěn)定，故可將試塊的吸濕過程分為“吸濕期”和“飽和期”［22］2個(gè)階段。放濕過程對(duì)應(yīng)曲線整體變化趨勢(shì)大致相同，同理，放濕過程可分為“脫濕期”和“穩(wěn)定期”［21］2個(gè)階段。從整體來看，4種模擬地仗試塊的吸-放濕特性是一致的，均呈現(xiàn)“先快后慢”的特征，“吸濕期”時(shí)間明顯比“飽和期”時(shí)間更短，但吸濕量卻達(dá)到了吸濕平衡時(shí)吸濕量的80％左右，放濕過程展現(xiàn)出同樣的規(guī)律。在吸-放濕穩(wěn)定后，地仗層的含濕率比起始含濕率更高。

上述特點(diǎn)對(duì)于墓葬壁畫的保護(hù)具有重要的意義。當(dāng)墓葬壁畫外部產(chǎn)生降雨，可能會(huì)使墓室內(nèi)的相對(duì)濕度快速增加，此時(shí)壁畫地仗層迅速吸附空氣中的水蒸氣。而濕度下降時(shí)，被吸附的水分不能全部解吸出來，水分會(huì)有部分殘留［6］，在適宜的條件下，這些水分會(huì)參與到地仗層的水鹽遷移過程中，增加鹽害發(fā)生的幾率，不利于墓葬壁畫的保存。因此，保持壁畫所處環(huán)境中濕度的相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)于壁畫的保存至關(guān)重要。

模擬地仗試塊單位面積的吸-放濕動(dòng)力學(xué)平衡參數(shù)見表4?？梢钥吹?，各模擬地仗試塊經(jīng)吸-放濕實(shí)驗(yàn)后，試塊內(nèi)含濕率由大到小排序?yàn)椋好擕}粗泥試塊>未脫鹽粗泥試塊>脫鹽細(xì)泥試塊>未脫鹽細(xì)泥試塊。對(duì)于加入相同加筋材料的試塊而言，脫鹽試塊的含濕率比未脫鹽試塊的含濕率更大，可能是因?yàn)橥馏w在脫鹽處理的過程當(dāng)中，土體內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)被破壞，孔隙率增加，增大了土壤與空氣中水分子接觸的幾率，故脫鹽試塊含濕率高于未脫鹽試塊。對(duì)于具有同樣脫鹽情況的試塊而言，粗泥試塊內(nèi)的加筋材料麥秸稈具有組織結(jié)構(gòu)排列疏松的特點(diǎn)，相較于植物纖維能夠更好地吸附、擴(kuò)散和滲透水蒸氣，故粗泥試塊的含濕率高于細(xì)泥試塊。

3.2 墓葬壁畫地仗層的吸放濕機(jī)理分析

壁畫作為土質(zhì)文物，從根本而言，其物質(zhì)存在狀態(tài)為固體，表面性質(zhì)與液體和氣體相近，固體表面非均勻的勢(shì)場(chǎng)所形成的表面張力會(huì)傾向于降低自身表面能。由于固體的表面形態(tài)不易改變，只能通過從外界環(huán)境中吸附微粒的方式來達(dá)到降低自身表面能的目的，故壁畫地仗層在相對(duì)濕度較高的環(huán)境條件下，會(huì)出現(xiàn)吸濕現(xiàn)象。固體表面對(duì)氣體分子的吸附方式按照吸附作用力的不同能夠劃分成兩種，即物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是依靠分子間作用力引發(fā)的吸附，結(jié)合力不強(qiáng)，過程可逆，容易發(fā)生吸附和解吸;化學(xué)吸附主要是由化學(xué)鍵力所引發(fā)的吸附，吸附過程常常伴隨電子的轉(zhuǎn)移、交換以及化學(xué)鍵的斷裂、形成，過程不可逆，不易發(fā)生吸附和解吸［22］。

墓葬壁畫地仗層作為一種非飽和土，主要發(fā)生物理吸附，即水蒸氣分子被吸附至土粒表面，這一過程為單分子吸附，經(jīng)過這一吸附過程后的土粒表面會(huì)出現(xiàn)一層水膜。土粒內(nèi)部非均勻的孔隙使得水膜在夾角處變厚，伴隨著吸附作用的不斷發(fā)生，水膜厚度逐漸增加，彎月面在孔隙內(nèi)部產(chǎn)生，最終將所有孔隙填滿，吸附過程向毛細(xì)過程轉(zhuǎn)變，這一階段稱為毛細(xì)冷凝［23-24］。此后，孔隙內(nèi)的氣態(tài)水凝集成為液態(tài)水，處于夾角的水分子難以在解吸時(shí)脫附出來，致使試塊在放濕過程中部分水分會(huì)殘留在土壤顆?？紫秲?nèi)，故放濕過程后試塊的含濕率是高于起始含濕率的。

3.3 吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線的擬合

3.3.1 吸濕動(dòng)力學(xué)曲線的擬合

選取多種常見的吸濕動(dòng)力學(xué)模型［25］對(duì)吸濕動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行線性擬合。利用相關(guān)系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）參數(shù)對(duì)4種模擬地仗試塊單位面積的吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線的擬合效果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示雙指數(shù)模型的擬合效果最佳。4種模擬地仗試塊單位面積的吸濕動(dòng)力學(xué)雙指數(shù)模型擬合曲線如圖4所示。由圖4可見，4種模擬地仗試塊的吸濕過程與雙指數(shù)模型相符。相關(guān)系數(shù)（R2）接近1，均方根誤差（RMSE）接近0，曲線的擬合效果良好，試塊在吸濕實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的含濕率與預(yù)測(cè)含濕率相接近。因此，可以使用該模型對(duì)實(shí)際墓葬壁畫地仗層的含濕率進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便對(duì)墓葬壁畫鹽害的產(chǎn)生和發(fā)展過程進(jìn)行研究，從而達(dá)到保護(hù)墓葬壁畫的目的。

4種模擬地仗試塊單位面積的吸濕動(dòng)力學(xué)雙指數(shù)模型擬合參數(shù)如表5所示，由表5可知，4種模擬地仗試塊的擬合曲線所對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R2在0.995～0.998之間，擬合效果較好。

3.3.2 放濕動(dòng)力學(xué)曲線的擬合

墓葬壁畫地仗層作為一種多孔性介質(zhì)材料，適合此類材料的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型較多。借鑒不同類別統(tǒng)計(jì)模型的形式以及放濕動(dòng)力學(xué)曲線的變化趨勢(shì)，采用一階指數(shù)函數(shù)對(duì)放濕動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行擬合［26］。含濕率與放濕時(shí)間的關(guān)系可以表示為

y=A1ext1+y0，（1）

其中：y為試塊含濕率（％）；x為時(shí)間（h）；A1、t1和y0均為常數(shù)。

4種模擬地仗試塊的放濕動(dòng)力學(xué)曲線擬合過程利用origin軟件完成，4種模擬地仗試塊單位面積的放濕動(dòng)力學(xué)一階指數(shù)模型擬合曲線如圖5所示。由圖可知，4種模擬地仗試塊的放濕動(dòng)力學(xué)曲線與一階指數(shù)函數(shù)是基本相符的，從擬合曲線與放濕動(dòng)力學(xué)曲線的擬合程度可見，擬合效果較好。表6為4種模擬地仗試塊單位面積的放濕動(dòng)力學(xué)一階指數(shù)模型擬合參數(shù)。由表6可知，一階指數(shù)模型對(duì)于放濕動(dòng)力學(xué)曲線的相關(guān)系數(shù)R2在0.988～0.994之間，擬合效果良好。

4 結(jié)論

通過模擬地仗試塊的吸-放濕實(shí)驗(yàn)，可以得出，吸濕過程和放濕過程均呈現(xiàn)出“先快后慢”的特征，“吸濕期”約占整個(gè)吸濕周期的25％，吸濕量卻達(dá)到了吸濕平衡時(shí)吸濕量的80％左右，說明模擬地仗試塊在短時(shí)間內(nèi)吸附了大量的水分，因此，當(dāng)墓室內(nèi)空氣濕度迅速升高時(shí)（如室外降雨，大量游客進(jìn)入等情況），需及時(shí)采取關(guān)閉門窗、限制游客數(shù)量等措施控制墓室內(nèi)相對(duì)濕度。經(jīng)吸-放濕實(shí)驗(yàn)后，各試塊內(nèi)含濕率由大到小排序?yàn)椋好擕}粗泥試塊>未脫鹽粗泥試塊>脫鹽細(xì)泥試塊>未脫鹽細(xì)泥試塊。在經(jīng)歷完整的吸-放濕過程之后，試塊的含濕率比初始含濕率更大，說明在吸濕過程中吸附的水分不能在放濕過程中完全解吸出來，很大程度上促進(jìn)鹽害的發(fā)展。對(duì)模擬地仗試塊的吸-放濕動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，模擬地仗試塊的吸-放濕過程分別與雙指數(shù)模型和一階指數(shù)模型相符，含濕率預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相接近，使用吸-放濕模型對(duì)實(shí)際墓葬壁畫地仗層的含濕率進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)地了解并掌握地仗層的含濕率，對(duì)于壁畫鹽害的預(yù)防和控制以及墓室內(nèi)濕度的調(diào)節(jié)具有重要的參考意義。

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（編 輯 李 波）