＊張緒柘 陳麗俊 黃鳳 段偉

（西北民族大學(xué)歷史文化學(xué)院 甘肅 730030）

不同加固劑于考古探方土壤防風(fēng)化效果的比較研究

＊張緒柘 陳麗俊 黃鳳 段偉

（西北民族大學(xué)歷史文化學(xué)院 甘肅 730030）

在考古發(fā)掘過(guò)程中，考古探方的坍塌會(huì)嚴(yán)重影響我們對(duì)探方層位關(guān)系的確認(rèn)，亦可對(duì)各層位的包含物產(chǎn)生破壞和影響，深層探方更是存在著對(duì)發(fā)掘人員人身安全的隱患。在實(shí)際工作中，除了使用常規(guī)的物理支撐加固外，化學(xué)試劑加固法可從土壤入手，改變土壤顆粒間的粘結(jié)度，在源頭上對(duì)探方內(nèi)壁土壤進(jìn)行加固。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等有機(jī)溶劑分散體系對(duì)土壤防風(fēng)化加固效果進(jìn)行對(duì)比，包括加固后土壤樣塊各種性能（重量、色度、抗崩解能力等）的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4%-6%的PMMA丙酮溶液在各方面均具有較優(yōu)良的抗風(fēng)化效果且滿足考古發(fā)掘工作的要求。

加固劑；考古探方；保護(hù)；對(duì)比試驗(yàn)

1.前言

在現(xiàn)代考古發(fā)掘過(guò)程中，防止考古探方及較深遺址的坍塌一直被當(dāng)成一個(gè)重要的問(wèn)題來(lái)對(duì)待，探方不同程度的坍塌嚴(yán)重影響我們對(duì)探方層位關(guān)系的確認(rèn)，亦可對(duì)各層位的包含物產(chǎn)生破壞和影響，特別是在干燥少雨的陜甘寧地區(qū)，土壤間間隙較大，在深層探方中更容易發(fā)生事故。出于對(duì)參與考古發(fā)掘人員的人身安全問(wèn)題考慮，在實(shí)際考古工作中，常會(huì)使用物理搭架加固法對(duì)考古探方內(nèi)壁進(jìn)行加固，但此方法因腳手架的干擾不益于對(duì)考古探方進(jìn)行文化層分層，且對(duì)于較深的考古探方要搭建穩(wěn)定防塌的腳手架需耗費(fèi)大量人力財(cái)力，且對(duì)于部分需要保留以作日后陳列展覽所用的考古探方，此方法還因會(huì)對(duì)內(nèi)壁土壤施加壓力而顯得本末倒置。而化學(xué)試劑加固法是從土壤入手，改變土壤顆粒間的粘結(jié)度，可從根本上對(duì)探方內(nèi)壁土壤進(jìn)行加固?，F(xiàn)今，各領(lǐng)域?qū)τ谕寥婪里L(fēng)化試劑的研究常集中在對(duì)各種試劑的改性研究，以取得更好的防風(fēng)化加固效果。但在文物考古領(lǐng)域，對(duì)改性加固劑中各成分的作用和加固機(jī)理研究尚顯不足，大部分機(jī)理研究均為化學(xué)工作者的結(jié)果。

在此大環(huán)境下，對(duì)現(xiàn)階段各領(lǐng)域所使用的幾種經(jīng)典的土壤防風(fēng)化加固試劑進(jìn)行研究改進(jìn)，而使之能運(yùn)用在考古探方內(nèi)壁這樣一個(gè)特殊的環(huán)境下就顯得尤為必要了。研究組通過(guò)各種試劑對(duì)于土壤樣塊防風(fēng)化加固效果的比較，且將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果較優(yōu)的試劑于室外2*1*1m的“模擬探方”中進(jìn)行驗(yàn)證，以此對(duì)比各類試劑適用于考古工作的組分的效果。

2.實(shí)驗(yàn)土壤物化性質(zhì)及土樣的制備

(1)實(shí)驗(yàn)土壤物化性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用土壤為甘肅省蘭州市西北民族大學(xué)榆中校區(qū)所采灰鈣土。經(jīng)測(cè)定其細(xì)篩土密度為1．017g/cm3，土壤pH為7．7～7．9，含水率4．8-5．1%，塑限19．6%，取土后約85%可直接過(guò)100目土篩，對(duì)比可知，試驗(yàn)用土為西北地區(qū)典型的灰鈣土。

(2)土樣的制備

將所選土壤碾碎過(guò)100目土篩，稱取100-120g土壤，加蒸餾水至其塑限，并將其制成8*8*5cm的土塊，使其密度及孔隙率均優(yōu)于原狀土。再將所制土塊置于密封袋中密封，使其含水率一致，兩天后取出自然風(fēng)干。

3.試劑材料的選擇及其濃度

查閱各類文獻(xiàn)可知，現(xiàn)階段適用于西北陜甘寧地區(qū)土壤的防風(fēng)化加固試劑主要有：聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅丙乳液、B72（丙烯酸酯與甲基丙烯酸酯的共聚物）、SH材料、PS材料等。通過(guò)對(duì)這幾種試劑的組成成分的分析比較，考慮到考古發(fā)掘工作中需通過(guò)內(nèi)壁土壤顏色進(jìn)行文化層分層，使用試劑后不可對(duì)土壤顏色產(chǎn)生較大改變，再結(jié)合一般文物保護(hù)材料選擇的原則，遂選取了7種試劑材料，并設(shè)計(jì)了共計(jì)32組濃度來(lái)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。如表1所示：

表1 試驗(yàn)所用試劑材料

4.防風(fēng)化加固處理樣品的制備

以制備的土壤樣塊為對(duì)象，將選定的材料及濃度對(duì)樣塊進(jìn)行涂刷，每種材料單一濃度涂刷樣塊2個(gè)，每塊樣塊涂刷試劑總量為20ml。

5.檢驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

樣品制備完成后對(duì)試樣進(jìn)行以下性質(zhì)的檢驗(yàn)：重量變化、顏色變化、抗崩解、抗低溫等。以對(duì)比各抗風(fēng)化加固劑的效果。

(1)重量變化

測(cè)量各濃度試劑處理前后樣塊的重量，得出各濃度試劑處理前后樣塊重量變化百分比如表2所示?？梢钥闯?，前四種試劑對(duì)于土壤重量的變化均較小，基本處于0．5%以下。這與樣塊間隙較小有關(guān)，試劑無(wú)法很好的滲透入樣塊中。而如聚乙烯醇、PMMA則是在樣塊表面形成一層透明有機(jī)膜以保護(hù)樣塊本體，則導(dǎo)致其加固前后樣塊重量變化較其他試劑大。

表2 樣塊重量變化百分比

(2)色差變化

由于考古工作中需通過(guò)探方內(nèi)壁土壤顏色及內(nèi)容物的特征來(lái)進(jìn)行文化層分層，所以其防風(fēng)化加固劑需要盡量不改變其顏色，以保證分層工作的順利進(jìn)行。使用CM-A185便攜式色度計(jì)（SAV墊片SCE10°/D65）對(duì)各試劑涂刷前后色度的測(cè)量，可計(jì)算出各濃度試劑加固前后樣塊的色差變化，如表3所示：

表3 樣塊涂刷前后色差

可以看出，僅有機(jī)硅水溶液、甲基丙烯酸甲酯水溶液涂刷前后樣塊色差較小，基本處于3以下，為不可感變化。聚乙烯醇水溶液的色差則較大，2%-5%濃度涂刷下的樣塊色差均在6以上，顏色變化較為明顯。

(3)實(shí)驗(yàn)樣塊耐水性檢驗(yàn)

將試劑處理過(guò)的土樣放入盛有蒸餾水的燒杯中，觀察記錄試樣在水中的變化，如開裂、起皮、崩解等情況及發(fā)生的時(shí)間。試驗(yàn)主要分為兩步，第一步是對(duì)各濃度試劑處理的樣品進(jìn)行耐水性檢驗(yàn)，然后選擇其中耐水性能優(yōu)秀的樣品（在水中浸泡1h無(wú)變化）進(jìn)行長(zhǎng)期耐水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

表4 樣塊表面開始起皮時(shí)間（單位：秒）

表5 1h樣塊崩解程度

由表4、表5可以看出，甲基丙烯酸甲酯水溶液、有機(jī)硅水溶液、聚醋酸乙烯酯水溶液、硅丙乳液具有一定的防護(hù)，但低濃度試劑的效果也不明顯；聚乙烯醇水溶液和PMMA丙酮溶液在樣塊表面所形成的一層保護(hù)膜能很好的將水與樣塊隔離，起到較為良好的防護(hù)作用。

6.防風(fēng)化加固劑性能比較

表6 防風(fēng)化加固劑效果

7.室外防風(fēng)化加固實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前期試驗(yàn)可以看出，在各類單組分抗風(fēng)化加固劑中，聚乙烯醇水溶液、PMMA丙酮溶液和B72丙酮溶液有著較為優(yōu)秀的加固性質(zhì)，雖然其加固前后對(duì)樣塊會(huì)造成較大的色差，但其抗風(fēng)化能力卻是遠(yuǎn)優(yōu)于其他加固劑的。

為了驗(yàn)證這三類試劑的實(shí)際應(yīng)用意義，實(shí)驗(yàn)組在室外采用直立式開挖的方法，制作了一個(gè)長(zhǎng)寬深為2m×1m×1m的“模擬探方”，并對(duì)其涂刷8%-10%的聚乙烯醇水溶液、PMMA丙酮溶液和B72丙酮溶液，以進(jìn)一步檢驗(yàn)其對(duì)于西北地區(qū)考古探方內(nèi)壁防風(fēng)化加固的效果(試驗(yàn)期間，室外溫度最低-15℃，最高23℃，相對(duì)濕度最低13%，最高35 %)。

通過(guò)一個(gè)月的自然風(fēng)化，我們可以看出三種試劑均具有良好的防風(fēng)化效果，均未出現(xiàn)空白樣表面所產(chǎn)生的內(nèi)壁表面酥粉現(xiàn)象。而對(duì)比三種試劑的效果，涂刷前后雖色差可感但不會(huì)影響實(shí)際工作中探方層位的辨認(rèn)。其中PMMA丙酮溶液可在探方表面形成一層穩(wěn)定的有機(jī)膜保護(hù)其不受外界環(huán)境干擾，而聚乙烯醇水溶液所成膜在土體原有缺口處會(huì)發(fā)生起翹現(xiàn)象，B72丙酮溶液無(wú)法成膜，防風(fēng)化表面會(huì)有小顆粒脫落的現(xiàn)象，但不會(huì)影響探方內(nèi)的發(fā)掘工作。

圖1 室外防風(fēng)化加固實(shí)驗(yàn)后效果

8.結(jié)論

(1)未防風(fēng)化處理的土壤在結(jié)構(gòu)和耐老化性能上均不及防風(fēng)化處理后的土壤，在實(shí)際考古工作中需對(duì)探方進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆里L(fēng)化處理。

(2)結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和室外驗(yàn)證的結(jié)果，8-10%的PMMA丙酮溶液具有最為優(yōu)良的抗風(fēng)化效果且能滿足考古發(fā)掘工作的要求。

(3)今后在考古探方化學(xué)加固的科學(xué)研究中可以通過(guò)對(duì)PMMA、聚乙烯醇、B72的改性研究來(lái)滿足實(shí)際工作的需要，以促進(jìn)考古現(xiàn)場(chǎng)工作更為順利的進(jìn)行。

[1]胡雙熙,張維祥等.青甘寧地區(qū)灰鈣土的成土特點(diǎn)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1990,26(3):127-136.

[2]諶文武,郭志謙等.基于SH加固材料的土遺址夯土試樣室內(nèi)滴滲試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2015,37(8):1517-1523.

[3]趙海英,王旭東,李最雄等.PS材料模數(shù)、濃度對(duì)干旱區(qū)土建筑遺址加固效果的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(3):557–562.

[4]王蕙貞.文物保護(hù)材料學(xué)[M].西安:西北大學(xué)出版社,1995:4.

Comparative Study on The Effect of Different Strengthening Agents on Soil Anti-weathering Reinforcement in Archaeological Exploration Party

Zhang Xuzhe, Chen Lijun, Huang Feng, Duan Wei

( School of History and Culture, Northwest University For Nationalities, Gansu, 730030)

In the process of archaeological excavation，the collapse of the archaeological exploration party will affect our judgement to horizon on the position relationship，and will impact on substances of position.There is a hidden trouble for archaeologist in the deeper archaeological exploration party.In the practical work，in addition to using conventional methods which is physical reinforcement，the chemical reinforcement method from the perspective of the soil，to change the degree of binding between soil，and reinforced soil on the source.After experiment，use organic solvent such as PMMA dispersion system for soil weathering proof reinforcement effect were compared，including all kinds of performance of soil changes after reinforcement（weight，chroma，ability to resist collapse and so on）.The experiment results show that 4%-6% PMMA acetone solution in all aspects are excellent weathering resistance effect，and meet the requirements of archaeological excavations.

reinforce the reagent；archaeological exploration party；protect；contrast test

K

A

((責(zé)任編：王恒)

西北民族大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201610742021）。

張緒柘（1997～），男，西北民族大學(xué)歷史文化學(xué)院，研究方向：文物保護(hù)。