許德臣，張曉東，馬慶珍，柳君君，張　翔，徐曉君，陳　穎

淺析水分與鹽分運移的關(guān)系及對城墻造成的破壞機理研究*

——以嘉峪關(guān)關(guān)城磚墻為例

許德臣1，張曉東2△，馬慶珍1，柳君君1，張翔1，徐曉君1，陳穎1

（1.嘉峪關(guān)市世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.嘉峪關(guān)長城博物館，甘肅嘉峪關(guān)735100）

嘉峪關(guān)地處西北干旱環(huán)境中，常年干旱少雨，蒸發(fā)量遠大于降水量，在水分蒸發(fā)過程中帶動可溶鹽運移富集到遺址表面，致使遺址出現(xiàn)了風蝕剝落、酥堿掏蝕等病害，本研究旨在探討水分蒸發(fā)與鹽分運移的關(guān)系及其兩者對磚墻的破壞機理。實驗結(jié)果表明：同一監(jiān)測點含水率同電導(dǎo)率基本呈正相關(guān)關(guān)系，可推斷出鹽分隨水分蒸發(fā)而運移，兩者的共同作用是造成磚墻酥堿的主要原因。

鹽分；破壞機理；運移；電導(dǎo)率

1　概述

嘉峪關(guān)地處暖溫帶干旱區(qū)，常年干旱少雨，這在某種程度上有利于土遺址的保護，嘉峪關(guān)歷經(jīng)600多年歲月變遷，雖經(jīng)過數(shù)次維修，城墻依然出現(xiàn)了掏蝕、酥堿、風化、沉降、裂隙等一系列病害，酥堿對城墻的破壞尤為嚴重，為更好的保護遺址，減輕其對城墻的破壞，特進行本實驗，以研究其對城墻造成的破壞機理。文物本體內(nèi)部及土體與地基土層之間的水分運移與其老化劣化關(guān)系密切，水分的運移還直接影響著文物溫度場變化和易溶鹽表聚［1］。

土類松散介質(zhì)含水量的現(xiàn)場監(jiān)測包括直接法和間接法兩大類：直接法有放射性中子儀［2］，時域反射［3-4］等方法；間接法是以監(jiān)測某類地球物理場為基礎(chǔ)，如電場、電磁場等，通過對物理場的監(jiān)測，反演介質(zhì)含水量的變化，包括電阻率法［5］等，這些方法基本局限于天然土壤水分監(jiān)測和研究，對于測試要求嚴格的土遺址，目前尚無深入研究。鑒于土遺址文物的特殊性，對其水分運移的研究，應(yīng)采用無損監(jiān)測方法。實測墻體電導(dǎo)率反演含鹽量是無損監(jiān)測方法之一。

電導(dǎo)法測定土壤水溶性鹽的總量比較簡單方便、快速，也適用于田間原狀土壤鹽分濃度動態(tài)的定位監(jiān)測。不同地區(qū)的土壤電導(dǎo)特征，國內(nèi)外多有研究［6-7］。目前，國外直接用電導(dǎo)率表示土壤的鹽漬程度，國內(nèi)也有人提倡用溫度為25℃時的電導(dǎo)率直接表示鹽漬度，但習(xí)慣上常用土壤含鹽量的質(zhì)量分數(shù)表示鹽漬度。

土壤中的水溶性鹽是強電解質(zhì)，其水溶液具有導(dǎo)電作用，其導(dǎo)電能力的強弱可用電導(dǎo)率表示。在一定的濃度范圍內(nèi)，溶液的含鹽量與電導(dǎo)率呈正相關(guān)，含鹽量越高，溶液的滲透壓越大，電導(dǎo)率也越大。因此，土壤浸出液的電導(dǎo)率的數(shù)值能反映土壤含鹽量的高低，特別是土壤溶液中幾種鹽類間的比值比較固定時，用電導(dǎo)率值測定總鹽分濃度的高低是相對準確的［8］。本文采用土壤浸出液的電導(dǎo)率來表達其含鹽量。

近年來隨著嘉峪關(guān)降雨增多，磚墻出現(xiàn)了滲水酥堿、掏蝕剝落等病害，且有不斷增多加重之趨勢，尤以東閘門最重，分別對東閘門東南立面酥堿進行全景（圖1）、局部（圖2）拍照，在50倍（圖3）和200倍（圖4）顯微鏡下觀察其結(jié)晶形態(tài)。

圖1　東閘門東南立面全景酥堿照片

圖2　東閘門東南立面局部酥堿照片

圖3　東閘門東南立面在50倍顯微鏡下酥堿樣

圖4　東閘門東南立面在200倍顯微鏡下酥堿樣

2　墻體水分及電導(dǎo)率實驗

2.1實驗設(shè)備

美國光譜技術(shù)公司生產(chǎn)的2265FS鹽分計，JTC50墻面地面水分儀，VHX-5000基恩士顯微鏡，電子天平（精確到0.0001g，型號FA2104B），研缽，容量瓶，量筒，三角漏斗，燒杯，濾紙，玻璃棒，移液管，洗耳球。

2.2試樣制備及測試

電導(dǎo)率實驗土樣為嘉峪關(guān)東閘門城臺和嘉峪關(guān)樓門洞現(xiàn)場采取的酥堿樣，取樣間距為10cm。試樣實驗前用研缽研細，用電子天平準確稱取0.5g后置于燒杯中加100mL蒸餾水攪拌使充分溶解后過濾，用鹽分計在恒溫下測定其電導(dǎo)率。

在采樣同時用墻面地面水分儀在采樣點測定墻面含水率，以便研究水分同鹽分運移間的關(guān)系。

3　實驗結(jié)果分析（見表1、表2）

表1　東閘門城臺東南立面橫向監(jiān)測

表2　東閘門城臺東南立面縱向監(jiān)測

圖5　東閘門橫向含水率與電導(dǎo)率關(guān)系曲線圖

在相同的氣象條件下，選取酥堿嚴重的嘉峪關(guān)關(guān)城東閘門城臺東南立面進行橫向和豎向水分、鹽分監(jiān)測，在同一監(jiān)測點分別測定其含水率和電導(dǎo)率（應(yīng)用含水率反映墻體水分含量，電導(dǎo)率反映墻體鹽分含量），由圖5圖6可知同一監(jiān)測點位含水率和電導(dǎo)率基本呈正相關(guān)，由此可推斷出水分在蒸發(fā)過程中帶動可溶鹽運移，水分是鹽分運移的載體。

圖6　東閘門縱向含水率與電導(dǎo)率關(guān)系曲線圖

在相同的氣象條件下，選取新發(fā)生酥堿病害的嘉峪關(guān)樓門洞西南側(cè)進行橫向和豎向水分、鹽分監(jiān)測，在同一監(jiān)測點分別測定其含水率和電導(dǎo)率（應(yīng)用含水率反映墻體水分含量，電導(dǎo)率反映墻體鹽分含量），見表3表4，由圖7圖8可知同一監(jiān)測點位含水率和電導(dǎo)率呈正相關(guān)，由此可推斷出水分在蒸發(fā)過程中帶動可溶鹽運移，水分是鹽分運移的載體。

表3　嘉峪關(guān)樓門洞西南側(cè)橫向監(jiān)測

表4　嘉峪關(guān)樓門洞西南側(cè)橫向監(jiān)測

圖7　嘉峪關(guān)樓橫向含水率與電導(dǎo)率關(guān)系曲線圖

圖8　嘉峪關(guān)樓縱向含水率與電導(dǎo)率關(guān)系曲線圖

4　結(jié)論

上述兩組不同監(jiān)測部位的橫向、縱向含水率和電導(dǎo)率實驗結(jié)果表明，同一監(jiān)測點含水率同電導(dǎo)率呈正相關(guān)，可推斷出水分在蒸發(fā)過程中帶動可溶鹽運移，水分是鹽分運移的載體：

1）水分在運移過程中會改變磚體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，影響其強度和耐久性，研究發(fā)現(xiàn)磚體強度和耐久性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而衰減。而鹽分在水分運移的同時不斷累積使磚體中聚合物的直徑增大超過了磚體內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)時聚合物的直徑，從而影響了磚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，致使部分磚體出現(xiàn)酥堿剝落等病害。

2）在降雨之后強烈持續(xù)的蒸發(fā)作用下，磚體發(fā)生失水，改變了磚體原有的水鹽平衡狀態(tài)，磚體中的自由水和鹽分的結(jié)合水發(fā)生由液態(tài)、固態(tài)？氣態(tài)的變化通過孔隙向外界擴散，磚體中孔隙體積開始壓縮，部分孔隙閉合，在不斷的干濕循環(huán)中交替反復(fù)。這樣反復(fù)的過程使磚體的結(jié)構(gòu)遭受到嚴重的破壞，導(dǎo)致磚體強度降低，在沉降、震動等外力作用下發(fā)生磚體的斷裂甚至脫落。

［1］ 周仲華、鄭龍、孫撥.土遺址墻體含水量與電阻率關(guān)系研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（2）：4055-4057.

［2］ 陳洪松，邵明安.中子儀的標定及其在坡地土壤水分測量中的應(yīng)用［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2003，21（2）：68-71.

［3］ 伍永秋，劉寶元，VAN DEN ELSEN E，等.黃土高原土壤水分的自動監(jiān)測——TDR系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.水土保持學(xué)報，2001，15（2）：108-111.

［4］ FERRE P A，REDMAN J D，RUDOLPHD L，et al.The de pendence of the electrical conductivity measured by time domain reflectometry on the water content of a sand［J］. Water Resources Research，1998，34（5）：1207-1213.

［5］ ZHU J J，KANG H Z，GONDA Y.Application of Wenner configuration to estimate soil water content in pine planta tions on sandyland［J］.Pedosphere，2007，17（6）：801-812.

［6］ Hank Vanderpluym.Bilt Harron.Drylond Salinity Investi gation Proceduees Manual［M］.Alberta：conservation and Development Branch.Alberta Agriculture Prairie Farm Rehabiditation Administration.Agriculture Canada.1992.1-17.

［7］ 任繼周，朱興云.河西走廊鹽漬地的生物改良與優(yōu)化生產(chǎn)模式［M］.北京：科學(xué)出版社，1997.39-40.

［8］ 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000，152-200.

K870

2014年甘肅省文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域科研項目“嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測需求研究”（GWJ2014021）。

張曉東，（1971-），男，副研究員，E-mail：Zhangxd1971@163.com。