冻融循环作用下不同含盐土体微细结构变化初步研究

内容摘要：受环境影响，西北干旱区土遗址存在较为严重的盐害，在干湿和冻融循环作用下，盐分在土体中反复迁移，导致土体孔隙发生变化。本文以脱盐后的敦煌本地土为材料，加入不同含量的氯化钠、硫酸钠及两者不同比例的复合盐，制成5×5×5cm试块后，进行冻融循环，并用显微镜观察每个循环后土体孔隙的变化。前期室内风化实验表明，以最优含水率制成的试块在室内风化条件下，Na2SO4的盐胀作用远远大于NaCl。同时根据风化实验结果重新设计了不同含量的试块进行冻融循环试验。结果表明，随着冻融循环次数的增加，土颗粒间的孔隙变少，盐分逐渐充满孔隙，并且随着含盐量的增加而愈发明显，与NaCl相比，Na2SO4对水分的敏感性非常强，遇水很快结晶析出，对试块迅速产生破坏，二者不同比例的复合盐的表现行为可以认为是两种单盐共同作用的结果。利用显微镜从土的微细结构进行研究，从而掌握盐分对土遗址破坏机理，可以为土遗址盐害的防治提供依据。

关键词：冻融循环；盐分；土遗址；微细结构

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2013）01-0098-10

1 引言

土遗址是以土为主要建筑材料，具有历史、文化和科学价值的古遗址[1]。土遗址是我国重要的物质文化遗产，有效保护和合理利用该遗产，对于促进当地文化传播与社会经济和谐发展以及带动地区文化遗产保护事业具有积极的作用[2]。

土遗址的研究主要有以下几个方面：土遗址的病害及破坏机理研究[3]、土遗址病害类型及成因研究[4]。在文物表层，盐分对土遗址的风化起着至关重要的作用[5-9]。郭青林等在敦煌莫高窟底层洞窟岩体内水汽与盐分研究中得出岩体内的温湿度和盐分有很好的关联性的结论[10]。杨善龙等在初步研究敦煌莫高窟崖体中水、盐分布现状后认为，导致敦煌莫高窟壁画发生酥碱病变的可溶盐类为NaCl和Na2SO4[11]。沈云霞等对交河故城的土进行脱盐处理后，加入0%-2%的Na2SO4、0%-1%的NaCl，进行室内模拟实验，干湿循环后，通过对遗址土剪切强度、纵波、土体黏聚力、内摩擦角等随不同含盐量变化所反映出的特征，研究了干湿循环下含盐量变化对遗址土剪切强度的影响[12]。匡静等通过对脱盐遗址土掺入不同含量NaCl后制成重塑样，模拟自然干湿循环条件养护，做了声波测试和风洞试验，就遗址土盐渍劣化和风蚀损耗效应做了初步分析，结果认为，含氯盐遗址土试样盐渍劣化和风蚀损耗过程中，含盐量是内在因素，干湿循环起着外助力作用[13]。严耿升等对新疆交河故城原状土和重塑土试样进行了冻融循环试验，通过风洞试验和强度试验，得出随冻融循环次数增大，原状试样的微结构出现损伤，强度减小，风蚀量增大，即耐久性持续变差的结论。相反，冻融循环初期，重塑样的强度有所增大，风蚀量减小，耐久性得到了提高；随着冻融循环的增加，重塑样的强度开始下降[14]。裴强强等对PS加固不同含水率遗址土体特性进行了研究，认为PS对于旱区土遗址防风化处理具有良好的加固效果，遗址土体含水条件对PS渗透加固有显著影响。PS加固土遗址有一定的含水适应范围，3%-9%含水率范围为最优加固条件，且在3%-9%含水率范围内加固效果适应性呈略偏向于3%含水率条件的抛物线形式[15]。刘炜等研究汉长安城遗址土后认为，土样颗粒粒径经冻融循环后减小[16]。本文以洗盐后的敦煌本地土为材料，加入不同含量的氯化钠、硫酸钠及两者不同比例的复合盐，用11%的纯净水拌制，制成5×5×5cm试块，风干后加10%纯净水，然后进行冻融循环，利用显微镜拍照，研究含盐土试块在冻融循环作用下微细结构的变化，为土遗址保护提供一定的参考依据。

2 试验方法

2.1 试验仪器

（1）土遗址保护土样制备仪

土遗址保护土样制备仪是敦煌研究院联合河南知信工程机械制造有限公司研制开发的一种产品，利用液压传动来控制上下模的运动制样成形，理论最大压力为6.2MPa。该机采用独特的专利技术，实现均匀双面加压，使成型样块致密度均匀，成型效果更好。

（2）冰箱

实验所用冰箱为SANYO所产的MDF-U442（N）型低温箱，该设备培养室的有效利用体积为50×60×110cm，共5层，可容纳280个5×5×5cm试块。

（3）显微镜

试验所用数码显微镜为KEYENCE生产，型号为VHX-600E，主要由前面板、侧面板、后面板、遥控器组成。

2.2 前期盐分风化实验

分别对含量为1%、3%、5%NaCl、Na2SO4、NaCl和Na2SO4的复合盐FA、FB、FC（C∶S比例分别为1∶1，1∶2，2∶1，其中C代表NaCl，S代表Na2SO4）的土按照最优含水率拌制，进行室内风化研究，研究表明Na2SO4单盐和Na2SO4含量较高的复合盐FB（C∶S=1∶2）对试块破坏都较NaCl和另外两种复合盐FA、FC严重。试块产生盐害是制样时所加的水分蒸发带动盐分迁移表现的结果。

由图1可以看出，随着时间的推移，含氯化钠的试块表面微微泛白，为了制样成形所加水分的散失对试块的盐分迁移影响不是很明显。

由图2可以看出，与氯化钠形成鲜明对比，随着时间的推移，含硫酸钠的试块表面很快有盐分析出，并且随着含盐量的增加，试块盐胀作用愈发明显，可见硫酸钠对水分的敏感性非常强，遇水很快结晶析出，对试块迅速产生破坏。这与NaCl和Na2SO4的性质密切相关，前者主要是通过在土孔隙中溶解和结晶富集影响土的性质；后者（也叫无水芒硝）在潮湿环境下易水化为Na2SO4·10H2O（芒硝），芒硝在高温条件下又可脱水转变成无水芒硝，这两个过程分别伴随着盐体积的增大和缩小，进而影响土的性质[2]。

由图3可以看出，氯化钠和硫酸钠配比为1∶1时，盐分的析出随着时间的推移表现也比较明显，通过氯化钠和硫酸钠单盐的表现行为来看，硫酸钠析出占主导地位。

由图4可以看出，氯化钠和硫酸钠配比为1∶2时，盐分的析出随着时间的推移表现也很明显，因硫酸钠占的比例较大，故盐害表现的行为更接近硫酸钠单盐的情况。

由图5可以看出，氯化钠和硫酸钠配比为2∶1时，盐分的析出随着时间的推移表现类同氯化钠单盐的表现行为，这与氯化钠含量较高有关。

可以看出，与NaCl单盐和复合盐FA、FC相比，Na2SO4单盐和Na2SO4含量较高的复合盐FB，盐分析出表现最明显，对试块的破坏最大。随着含盐量的增大，这种现象愈发明显。在此基础上，又单独制备了0.1、0.2、0.4、0.6、0.8%的五种Na2SO4单盐，实验室室内阴干盐害过程如图6。

由图6可以看出，0.6%和0.8%的试块盐害非常明显，说明低含盐量的Na2SO4对土遗址的破坏作用也是不容忽视的。为了更好的研究不同盐分含量对土体结构的影响，根据前人研究和预实验结果，Na2SO4对土体破坏作用较大，设计如下盐分含量做冻融循环试验，如表1。

2.3 冻融循环试验

试样选取敦煌本地土。冻融循环试验控制试块所处环境温度，通过反复提高和降低试块所处环境温度，模拟试块在自然环境中经历的冻-融过程。冻融循环试验试块环境温度变化范围设定为-20℃到常温（20-25℃）之间，24 h完成一个冻融循环（图7）。试块以最优含水率拌制，用塑料封装24h，使水分分布均匀，然后用敦煌研究院研制的土遗址制样机制样。

冻融循环试验试样为敦煌本地土脱盐后加入不同浓度、不同种类盐的试块。试验中，将脱盐风干后的土碾碎，过2mm筛，然后按照最优含水率拌制不同含盐量的试块。试块尺寸为5×5×5cm，每个试块制作两个平行样。试样制好风干后从顶部加入10%的纯净水，开始进行冻融循环试验，每天晚上21：30放入冰箱冷冻12h，温度设为-20℃，第二天早上9：30取出试块，快速称重、数码拍照、显微镜拍照，并记录试块盐害变化情况，然后放在实验室常温融化，到晚上21：30为一个冻融循环，再进行一次快速称重、数码拍照、显微镜拍照，并记录试块盐害变化情况，然后继续放入冰箱冷冻进行下一次循环。本试验将试块在-20℃冻结12h后，置于常温融化12h（25-30℃），一次冻融循环完成，每一循环试验完成后，对试样进行快速称重、拍照，观察并记录样品的表面结构变化，接着进行下一次冻融循环试验，依次反复，直到各个循环试验结束，共进行了10次冻融循环。本次室内模拟试验拟分析不同含量、不同种类盐分在冻融循环下盐害运移和发生发展的规律，对土遗址保护提供一定理论依据。冻融循环试验流程如图8。

对敦煌本地土进行洗土脱盐，其含盐量随脱盐次数变化关系如图9，洗土后土中易溶盐含量极低，在本试验的研究中可以忽略不计。

3 试验结果分析

3.1 冻融循环温湿度变化曲线

温湿度随循环次数的变化关系曲线根据温湿度仪记录数据绘制，冻融循环温湿度控制过程如图10。

图10表明，实验室温度在23℃左右，湿度整体呈下降趋势，这与试块本身含水有关，试块在冰箱冷冻期间，湿度基本不变，当从冰箱取出置于实验室融化过程中，湿度呈升高趋势，且这种趋势越来越弱，这是由于试块随着冻融循环次数的增加水分基本散失，所以湿度变化趋势也逐渐平缓。

3.2 冻融循环试验微观结构

冻融循环试验微观结构观察，在每一次循环之后对不同含量、不同种类试块在同一位置进行显微镜拍照，结果如下图。

由图11可以看出，不加盐试块经过冻融循环后，变化不大，颗粒间的黏结程度有所减弱，说明不含盐土遗址在反复冻融循环作用下产生破坏作用较小。

由图12可以看出，随着循环次数的增加，土颗粒间的黏结程度减弱，与不加盐试块相比，含NaCl试块盐分随着冻融循环作用逐渐充满孔隙，且随着含盐量的增加，土体结构随冻融循环作用变化越明显，可见含盐土体在反复冻融作用下极易发生破坏。

由图13可以看出，随着循环次数的增加，土颗粒间的黏结程度减弱，盐分逐渐充满孔隙。与氯化钠试块相比，虽然含盐量不同，但是含硫酸钠试块比含氯化钠试块盐分更能充满孔隙，因为Na2SO4对水分的敏感性非常强，遇水很快结晶析出，对试块迅速产生破坏。这与前期室内风化实验相符。

由图14可以看出，随着循环次数的增加，土颗粒间的黏结程度减弱，盐分逐渐充满孔隙。与Na2SO4试块相比，含复合盐FA（C∶S=1∶1）试块比含Na2SO4试块盐分更能充满孔隙，这是因为本试验设计Na2SO4含盐量较低，最高仅为0.3%，而复合盐FA含量最低设计为1%，显而易见，含NaCl试块和含Na2SO4试块盐分析出没有含复合盐FA试块明显。

由图15可以看出，随着循环次数的增加，土颗粒间的黏结程度减弱，盐分逐渐充满孔隙。与复合盐FA试块相比，含复合盐FB（C∶S=1∶2）试块含盐量虽然较低，但是由于硫酸钠比例较高，盐分析出表面依然较多，再一次证明Na2SO4对水分的敏感性非常强，遇水很快结晶析出，对试块迅速产生破坏。同时也从微观层面印证了前期室内风化实验结果。

由图版40可见，随着循环次数的增加，土颗粒间的黏结程度减弱，由致密变得疏松，盐分逐渐充满孔隙。与含复合盐FA、FB试块相比，含复合盐FC（C：S=2：1）试块土颗粒更松散，含复合盐FA（C：S=1：1）次之，含复合盐FB（C：S=1：2）试块土颗粒间较致密，这与本试验设计的三种复合盐含盐量不同有关，复合盐FA、FC含盐量1、2、3%较复合盐FB含盐量0.2、0.4、0.6%，差值很大，所以经过反复冻融循环后表现的差异也较大。比较图15和图版40，盐分析出由多到少依次是FA、FC、FB，这也与复合盐含盐量及NaCl和Na2SO4的比例密切相关。刘炜对汉长安城遗址土的研究结果，即土样颗粒粒径经冻融循环后减小[16]，从侧面印证了本文结果。

4 结论

1. 与NaCl单盐和复合盐FA、FC相比，Na2SO4单盐和Na2SO4含量较高的复合盐FB，盐分析出表现最明显，对试块的破坏最大。随着含盐量的增大，这种现象愈发明显。

2. 不同种类、不同含量的盐分对土遗址破坏作用和方式不同，土遗址中常见的易溶盐氯化钠和硫酸钠相比，硫酸钠破坏作用更加明显，含0.2%硫酸钠的试块在反复冻融循环作用下就可产生破坏。

3. 土遗址的微观结构随着冻融循环次数的增加，土颗粒间的孔隙变少，盐分逐渐充满孔隙，尤以硫酸钠表现更为明显。

4. 冻融作用对土遗址的破坏作用很大。Na2SO4含量较多的试块，在室内风化即可将其破坏，而NaCl对其破坏程度远远弱于Na2SO4，但是含NaCl土遗址在反复冻融循环作用下，对土遗址的破坏程度也很大。

致谢：感谢裴强强馆员指导使用土遗址保护土样制备仪，崔强馆员帮忙指导使用数码显微镜，李燕飞副研究员提供实验所用培养皿，感谢敦煌研究院保护研究所和文物保护技术服务中心各位老师在实验过程中给予的大力帮助！

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