周力沛， 唐曉武， 俞 悅， 楊曉秋

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310058)

1 引 言

文化遺產(chǎn)作為人類(lèi)歷史發(fā)展長(zhǎng)河中的“幸存者”，是人類(lèi)了解自身及地球發(fā)展歷程的重要載體[1]。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，大量文化遺跡受到了嚴(yán)重破壞，面臨著消失的危險(xiǎn)[2]。其中，土遺址作為一類(lèi)特殊的歷史文化遺產(chǎn)，具有不可移動(dòng)性、環(huán)境復(fù)雜性以及易破壞性等特點(diǎn)[3]，其保護(hù)工作尤為重要且迫在眉睫。在土遺址保護(hù)工作中，最為常用的方法是添加加固劑對(duì)遺址土體進(jìn)行改良[4]。我國(guó)史料中已有記載的桐油和糯米汁[5-6]，由于天然環(huán)保，與土體結(jié)合好，處理后的土體強(qiáng)度、滲透等特性可較好地滿足要求[7-9]等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛關(guān)注。

基于文物和遺址的特殊性，其修復(fù)和保護(hù)工作應(yīng)遵循“保持原貌，修舊如舊”的基本原則[10]，因此土遺址改良材料的選取除了應(yīng)滿足其力學(xué)強(qiáng)度要求外，也必須滿足“不能對(duì)土體外觀帶來(lái)明顯變化”的基本要求[11]?，F(xiàn)有的土體加固劑改良研究中，對(duì)土體外觀色彩變化的分析，主要依靠直接觀察的方法，即通過(guò)肉眼觀察，主觀地判斷土體顏色是否發(fā)生明顯變化[12]。該方法雖然最為簡(jiǎn)便易行，但缺乏定量依據(jù)，同時(shí)觀察結(jié)果易受到外界光照因素和觀察者自身主觀意識(shí)的干擾和影響。因此，需要采用科學(xué)的色彩測(cè)定以及色差分析，同時(shí)兼顧簡(jiǎn)便性的判定方法來(lái)對(duì)處理土外觀色彩一致性進(jìn)行判別。

本研究以錢(qián)塘江粉土為例，對(duì)按照不同質(zhì)量比配合的桐油和糯米汁改良土樣在不同天數(shù)條件下的外觀顏色進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)土樣在固定光源下的L*a*b*色彩空間的參數(shù)進(jìn)行提取，并采用L*a*b*色差計(jì)算公式[13]對(duì)提取的色彩參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)結(jié)合直接觀察方法，獲得了桐油和糯米汁的加入對(duì)土樣外觀顏色的影響，并得到了色彩還原性最佳的改良土質(zhì)量比，以及肉眼可分辨的色彩土體顏色變化色差臨界值。

2 色彩對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 土樣制備

實(shí)驗(yàn)選取錢(qián)塘江粉土作為原狀土，在采用桐油和糯米汁對(duì)其進(jìn)行改良之前，先將其進(jìn)行充分研磨，并過(guò)2 mm篩以去除雜質(zhì)，然后置于60 ℃溫度下烘烤48 h排除水分,備用。

實(shí)驗(yàn)所用桐油為工業(yè)用生桐油。糯米汁按照如下方法制備[14]：將100 g生糯米加入1 000 g水，充分浸泡吸濕，并蒸煮1.5 h，使其進(jìn)一步糊化。將蒸煮好的糯米糊靜置冷卻至室溫后，用針筒吸取上部粘稠液體部分，即為實(shí)驗(yàn)所用糯米汁。如圖1。

改良土樣具體制備過(guò)程為：稱(chēng)取一定質(zhì)量準(zhǔn)備好的粉土，置于干燥且不滲水的搪瓷托盤(pán)內(nèi)，按照實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的質(zhì)量比以及粉土的最優(yōu)含水率20.48%[15]，將桐油、糯米汁及蒸餾水加入待改良粉土中，攪拌均勻，待用。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用桐油和糯米汁

本實(shí)驗(yàn)中共制備了9種不同的桐油、糯米汁與粉土三者質(zhì)量比的土樣，如表1所示。其中T表示桐油、R表示糯米汁、S表示粉土，下標(biāo)數(shù)字表示各組分在混合土樣中所占質(zhì)量百分比。例如土樣T5R10S85表示該土樣中，桐油、糯米汁和粉土三者質(zhì)量比為5∶10∶85。而土樣T0R0S100為未添加桐油和糯米汁的粉土，即該實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組。下文中，如無(wú)特別說(shuō)明，則“質(zhì)量比”均特指“桐油質(zhì)量:糯米汁質(zhì)量:粉土質(zhì)量”。

表1 實(shí)驗(yàn)所制備土樣的質(zhì)量比

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

改良土的色彩還原性對(duì)比實(shí)驗(yàn)分為直接觀察實(shí)驗(yàn)與數(shù)字圖像參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)兩部分。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)用直徑為61.8 mm、高度為20 mm的直剪環(huán)刀分別將9種制備好的土樣切出同樣規(guī)格大小的擊實(shí)土樣，用細(xì)鐵絲沿環(huán)刀頂部和底部將多余土體刮去，并將截面處理為同等粗糙程度的平面。

(2)將9組切好的土樣置于陰涼、無(wú)風(fēng)且恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下分別靜置0,7,14,30,90,180 d。

(3)直接觀察實(shí)驗(yàn)。在同樣的光線條件下(本實(shí)驗(yàn)選取遮光實(shí)驗(yàn)室的固定6 500 K日光燈條件)，對(duì)不同天數(shù)時(shí)的9種質(zhì)量比的土樣進(jìn)行直接觀察，并對(duì)比不同天數(shù)下每種土樣的顏色變化，以及不同土樣之間的色彩差異。觀察時(shí)選取3名辨色能力正常的觀測(cè)者，以盡量規(guī)避由于主觀因素而帶來(lái)的觀測(cè)誤差。

(4)數(shù)字圖像參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在固定光源條件下，用數(shù)碼相機(jī)正投影方法分別對(duì)9種不同質(zhì)量比的改良土樣拍照，進(jìn)行圖像以及表面色彩參數(shù)的采集，如圖2所示。本文實(shí)驗(yàn)中所采用的相機(jī)為佳能品牌EOS 7D 型號(hào)，鏡頭選用佳能品牌EF 50 mmf/1.8 型號(hào)的定焦鏡頭。相機(jī)其他設(shè)置如表2所示，并且相機(jī)中所有與成像自動(dòng)調(diào)校及優(yōu)化有關(guān)的設(shè)置模式例如“周邊光量校正”、“自動(dòng)亮度優(yōu)化”等，均設(shè)為“關(guān)閉”狀態(tài)，以消除相關(guān)功能對(duì)照片成像色彩所造成的干擾和影響。

(5)將步驟(4)中采集的9種土樣的照片導(dǎo)入圖像處理軟件Adobe Photoshop CC 2017，并進(jìn)行參數(shù)提取及對(duì)比。首先將照片中土樣部分用

圓形套索工具套取出來(lái)，然后采用軟件中自帶的“信息面板”(Info palette)和“顏色取樣器”(Color sampler)工具對(duì)土樣表面進(jìn)行色彩參數(shù)的提取。為避免取樣不均勻，每次顏色取樣時(shí)，顏色取樣器取用101×101個(gè)像素點(diǎn)的平均值，同時(shí)每個(gè)土樣取不同位置的5個(gè)點(diǎn)，進(jìn)一步取這5個(gè)點(diǎn)的平均值，作為土樣表面色彩特征值。之后，利用L*a*b*色彩空間的明度差ΔL′、彩度差ΔC′、色調(diào)差ΔH′及色差ΔE計(jì)算公式(1)～(3)對(duì)改良土樣的色彩還原性進(jìn)行對(duì)比分析:

(1)

(2)

ΔE=

(3)

圖2 色彩對(duì)比實(shí)驗(yàn)土樣照片拍攝

表2 相機(jī)相關(guān)功能設(shè)置

3 結(jié)果與討論

按照第2節(jié)所述實(shí)驗(yàn)方法，所采集的土樣表面如表3所示。

3.1 直接觀察實(shí)驗(yàn)

縱觀9個(gè)土樣從0～180 d的外觀變化過(guò)程，可以看出每個(gè)土樣均經(jīng)歷了顏色由深到淺的變化過(guò)程，且每個(gè)土樣顏色變化幅度不盡相同。在0 d時(shí)，9種土樣顏色較深，且土樣之間顏色差異不明顯；而隨著時(shí)間的推移，到180 d時(shí)，9種土樣形成了深淺不一的表面顏色狀態(tài)，并且差異明顯，肉眼可直接觀察到。

具體來(lái)看，在第0 d時(shí)，由于水分的存在，9種土樣顏色均較深，呈現(xiàn)出濕土常見(jiàn)的褐色外觀。同時(shí)可以看出，桐油含量較高的土樣T10R5S85、T10R10S80和T15R5S80，與未處理土樣T0R0S100相比已經(jīng)出現(xiàn)了肉眼可以分辨的輕微發(fā)黑現(xiàn)象，說(shuō)明桐油的存在對(duì)土體外觀顏色的變化存在比較大的影響，當(dāng)桐油在土中含量較高時(shí)，初經(jīng)拌合的土體外觀則已經(jīng)出現(xiàn)變黑的趨勢(shì)。

而從第7 d開(kāi)始，土樣外觀顏色的變化有了較為明顯的分化趨勢(shì)。T0R0S100、T0R5S95和T5R10S853個(gè)土樣的外觀，與0 d時(shí)相比出現(xiàn)了明顯的變白變淺現(xiàn)象，土樣T5R0S95、T5R5S90也有變白的現(xiàn)象，但不如上述3個(gè)土樣明顯，而T10R5S85、T10R10S80、T5R15S80和T15R5S80則發(fā)白趨勢(shì)不明顯。這樣的顏色分化說(shuō)明土中所添加的桐油和糯米汁對(duì)土體外觀顏色的變化開(kāi)始發(fā)揮作用，因此出現(xiàn)了深淺不一的變化規(guī)律。

隨著時(shí)間的進(jìn)一步推移，9組土樣的外觀顏色到第180 d時(shí)均可達(dá)到穩(wěn)定，與90 d時(shí)相比不再有明顯變化。此時(shí)可看出土樣T0R5S95和T5R10S85的外觀顏色與未改良土樣T0R0S100最為接近；土樣T5R0S95、T5R5S80和T10R5S85三者顏色接近，且比未改良土相比，顏色較深；土樣T10R5S85、T10R10S80和T15R5S80三者顏色接近，并且和其他土樣相比，顏色深且明顯發(fā)黑。

從直接觀測(cè)的結(jié)果能夠看出,桐油和糯米汁的加入對(duì)土樣外觀有著較大影響，其中桐油的影響尤為明顯。當(dāng)土樣中的桐油含量較高時(shí)，土體顏色與未改良土相比會(huì)變深變黑，并且隨著時(shí)間推移，與未改良土之間的差異越加明顯。而相對(duì)于桐油來(lái)講，糯米汁對(duì)土體顏色的變化影響較小，但仍有使改良土顏色發(fā)白變淺的作用。而在土樣T5R10S85中，通過(guò)糯米汁的中和，桐油對(duì)改良土顏色變黑的效果得以抑制，使得土樣T5R10S85不論是剛制備好的0 d還是180 d時(shí)土樣顏色穩(wěn)定后，均可與未改良土T0R0S100外觀顏色保持較好的一致性，滿足遺址保護(hù)原則中對(duì)改良材料提出的“不能對(duì)土體外觀帶來(lái)明顯的變化”的要求。

表3 不同質(zhì)量比處理土樣的色彩對(duì)比

Tab.3 Color contrast of treatsd soils in different mass ratio

3.2 數(shù)字圖像參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

采用第2節(jié)所述實(shí)驗(yàn)方法所得9組土樣從0～180 d的L*a*b*色彩參數(shù)值如表4所示。從表4中大致可看出9組土樣從0 d開(kāi)始，各自的明度值L*均存在迅速增大并逐步趨于穩(wěn)定的過(guò)程，到180 d時(shí)基本保持穩(wěn)定不再變化；而各自的色品值a*和b*在這個(gè)過(guò)程中則略有變化,但幅度不大。

表4 不同天數(shù)不同質(zhì)量比土樣的L*a*b*色彩參數(shù)

首先，用公式(1)～(3)分別對(duì)9種土樣180 d時(shí)的色彩參數(shù)與0 d時(shí)的色彩參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，如圖3所示。從圖3中可看出，土中桐油占比較低的土樣(T0R0S100、T0R5S95、T5R0S95、T5R5S90、T5R10S85和T5R15S80)在外觀色彩穩(wěn)定后，與0 d時(shí)外觀顏色參數(shù)相比，明度差ΔL′和色差ΔE較大，彩度差ΔC′并不大。說(shuō)明這些土樣在外觀顏色變化過(guò)程中，色差變化主要是由于明度的變化而導(dǎo)致的。其原因應(yīng)是土體中的水分隨時(shí)間蒸發(fā)后，對(duì)土體的浸潤(rùn)度發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致了土體外觀顏色隨時(shí)間推移的發(fā)白現(xiàn)象。而土中桐油占比較高的土體(T10R5S85、T10R10S80、T15R5S80)除了明度差較大外，彩度差也較大，說(shuō)明桐油的加入對(duì)土體的色彩產(chǎn)生了較大的影響。反映在土體外觀上則是使土體發(fā)生了變黑的現(xiàn)象，對(duì)外觀色彩產(chǎn)生了較大的影響。

圖3 各土樣180 d與0 d時(shí)的明度差、彩度差和色差。

Fig.3 Lightness, chroma and total color difference of the specimens of 180 d compared to 0 d.

進(jìn)一步，分別對(duì)0 d和180 d時(shí)各處理土樣對(duì)未處理土樣的色差參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如圖4和圖5所示。可看出隨著糯米汁和桐油所占質(zhì)量比的提高，處理土樣與未處理土樣之間的色差大致呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。具體來(lái)看，對(duì)比T0R5S95、T5R0S95與T0R0S100的色差參數(shù)可看出，糯米汁與桐油可使處理土樣的明度值存在作用相反的影響，糯米汁使改良土的明度值增大，而桐油使改良土明度值降低，且作用效果要比糯米汁更為明顯。綜合來(lái)看，無(wú)論是0 d還是180 d，當(dāng)處理土樣質(zhì)量比為5∶10∶85時(shí)，土樣外觀顏色與未改良土的色差最小，這也與直接觀察實(shí)驗(yàn)中所得到的結(jié)論一致。即按照該質(zhì)量比配合的處理土樣對(duì)原狀土的色彩還原度最高，最為符合遺址土體保護(hù)材料“不得明顯改變土體外觀”的基本要求。同時(shí)，結(jié)合直接觀察實(shí)驗(yàn)中所得到的結(jié)論“0 d時(shí)，T10R5S85、T10R10S80、T15R5S80存在肉眼可觀察到的色差(表面發(fā)黑)；180 d時(shí)，除T5R10S85外，其余土樣均存在肉眼可觀察到的色差”，可知色差ΔE>5時(shí)，存在肉眼可觀察到的土樣色彩變化。

圖4 0 d時(shí)處理土樣與未處理土樣明度差、彩度差和色差值。

Fig.4 Lightness, chroma and total color difference of the treated to the untreated soil specimens at 0 d.

圖5 180 d處理土樣與未處理土樣明度差、彩度差和色差值。

Fig.5 Lightness, chroma and total color difference of the treated to the untreated soil specimens at 180 d.

4 結(jié) 論

本文對(duì)土遺址保護(hù)中采用的傳統(tǒng)純天然土體改良材料——桐油和糯米汁所改良的土體色彩還原度問(wèn)題進(jìn)行了直接觀測(cè)和數(shù)字圖像L*a*b*色彩參數(shù)對(duì)比分析。對(duì)不同質(zhì)量比土樣在0～180 d時(shí)間的變化的分析結(jié)果表明，土體隨時(shí)間推移而產(chǎn)生的土體發(fā)白現(xiàn)象，主要是由于其明度值發(fā)生變化而導(dǎo)致的。而對(duì)于添加的改良材料，糯米汁的摻入使土體有輕微發(fā)白作用，桐油的摻入使土體有明顯發(fā)黑作用。當(dāng)桐油、糯米汁和土三者質(zhì)量比為5∶10∶85時(shí)，處理土樣與原狀土樣可保持最優(yōu)的色彩一致性與還原性，滿足土遺址保護(hù)材料的色彩要求。并且，當(dāng)處理土樣與原狀土樣的色差值ΔE>5時(shí)，該土樣即存在肉眼可觀察到的顏色變化，因此在土遺址保護(hù)過(guò)程中應(yīng)保持改良土樣與原狀土樣的色差值ΔE<5。