日益加劇的病害研究綜述

日益加劇的病害研究綜述

0石質(zhì)文物病害的界定“石頭文”是指以天然石材為材料的歷史文化遺產(chǎn)，包括石頭、石雕、壁畫、石雕、石雕、石雕、儒家建筑、石雕、石桌、石雕等。與其它天然材料相比,巖石具有耐久性好,對環(huán)境變化不敏感的特點。但是,隨著全球環(huán)境污染的日益加劇,石質(zhì)文物病害問題,伴隨著其所承載的歷史文化信息的丟失,已經(jīng)越來越引起人們的重視。石質(zhì)文物病害,又稱為風化、劣化,是指石質(zhì)文物由于物理狀態(tài)和化學組分改變而導致價值缺失或功能損傷(ICOMOS-ISCS)。因此,病害這個概念包含了自然老化過程。石質(zhì)文物從形成時期的完整到風化是一個逐步發(fā)展的過程。在這個過程中,不同的因素在不同時間起著不同的作用。一般將病害原因分為物理風化、化學風化及生物風化。其中,生物風化也可以理解為生物作用帶來的物理風化和化學風化。根本上,大多數(shù)的文物病害都是多因素作用的結(jié)果,很難將其獨立地劃分為物理、化學或生物原因。按照石質(zhì)文物病害的不同表現(xiàn),大體可分為三大類型:穩(wěn)定性問題,水的滲漏侵蝕問題和風化問題。穩(wěn)定性問題是指石質(zhì)文物所依托的巖(山)體出現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和局部危石等問題。水的滲漏侵蝕問題是指地下水、地表水或冷凝水引發(fā)的一系列破壞問題。風化問題是指在文物表面毫米到厘米級的范圍內(nèi),文物外觀的破壞。穩(wěn)定性問題和水的滲漏侵蝕問題(地下水和地表水)都與地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件有關系,同時巖土工程領域已經(jīng)具備相對成熟技術可以保證其安全,需要注意的是保證工程實施中景觀協(xié)調(diào)問題。目前文物保護學者主要關注于風化(包括冷凝水)機理的研究。1石質(zhì)含礦文物病害勘探工程技術目前,從環(huán)境地質(zhì)角度來研究石質(zhì)文物破壞與保護的地質(zhì)學家越來越多。這是因為,巖石材料是地質(zhì)作用的產(chǎn)物,巖石的變形和破壞性質(zhì)不但和巖石的復雜成因和結(jié)構(gòu)密切相關,而且還受溫度、圍壓、孔隙水等環(huán)境因素的影響。因此,對病害機理的分析首先應當對地質(zhì)環(huán)境進行勘察,了解它所依存的地質(zhì)環(huán)境以及當?shù)氐臍夂颦h(huán)境條件與石質(zhì)文物病害的關系。石質(zhì)(包括土質(zhì))文物保護地質(zhì)勘察在勘察目的、原則、手段和方法、勘察重點、結(jié)論分析方法等方面均具有鮮明的特點,與傳統(tǒng)工程勘察項目有較大的區(qū)別。對于文物,不僅要求其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,還特別要求其表面微觀形態(tài)和顏色等歷史文化屬性的盡可能保存。因此,材料表層的物理性質(zhì)(如顏色、孔隙率、吸水性、光澤度、粗糙度等)、化學性質(zhì)(外來附積物造成化學組分的變化、內(nèi)部滲水淀積物造成化學組分的變化等)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(微裂隙、微缺陷)都應在研究的范疇之內(nèi)。同時,文物保護地質(zhì)勘察要求在不對文物造成影響的前提下,對文物病害做出診斷,文物保護措施不能對周圍其它文物造成負面影響。由于文物保護的特殊性,電法、聲波、磁法、微重力勘探、地質(zhì)雷達等簡潔、無損的勘探手段不斷應用于文物病害勘察[2~3],探測石質(zhì)文物病害情況。無損檢測的優(yōu)點之一是不需要從文物本體上取樣,可以保證文物的完整性;它對文物的外觀形狀沒有要求,降低了試驗難度;同時,在一個樣品上可以先后做多個對比性檢測試驗。但是,無損檢測技術測量結(jié)果的準確性與很多因素有關,在使用中應減少人為等因素的影響,使測量誤差降至最低。2石質(zhì)文物病害的定性及評估病害分類及評價是制定保護措施及預測耐久性的基礎。從表象判定文物病害嚴重程度是最直觀的方式,目前涉及病害分類的描述性方案有多種,其主要原理是根據(jù)不同的表象將病害分為不同的種類,針對每一種病害表象分析其機理,估算風化速度,從而對其耐久性做出預測。目前,受到國際范圍內(nèi)的關注和較為廣泛應用的是BerndFitzner等2002年提出的病害分類方法。BerndFitzner等強調(diào)病害的現(xiàn)場調(diào)查,將病害分類、繪制作為無損檢測的一種方式。通過基于世界范圍內(nèi)石質(zhì)文物病害種類及環(huán)境的大量調(diào)查分析,將石質(zhì)文物病害分為4組(材料缺失、變色/沉積、分離和裂縫/變形)25類75種,對每一種病害現(xiàn)象根據(jù)其嚴重程度又分為若干級,編制了“病害表象→病害分類→病害評價”一套完整體系,并最終給出病害嚴重程度的定量指標———病害指數(shù)。這套體系整體比較嚴密,然而正是由于它的嚴密性,對病害調(diào)查時間及工作人員的技能要求較高。Warke等借鑒醫(yī)學界已經(jīng)廣泛運用的癌癥患者TNM階段系統(tǒng)(腫瘤轉(zhuǎn)移階段系統(tǒng)),提出了包含耐久性預測內(nèi)容的石質(zhì)文物病害評價系統(tǒng)———UAS階段系統(tǒng)(Unit:單獨巖塊,Area:臨近巖塊,Spread:立面的病害程度),根據(jù)不同的UAS組合(Unit分為4類,Area分為4類,Spread分為2類)將病害程度分為4級,其可靠性由一個反映判定病害復雜程度的確定性系數(shù)(C)來確定。這個系統(tǒng)提供了一個快速直接的評價方法。我國目前還沒有關于文物病害診斷的定量標準,筆者等借鑒國外病害分類及評價系統(tǒng),編制了文物劣化定量分析與評價軟件系統(tǒng),通過對AutoCAD的定制開發(fā),降低了病害測繪的工作強度,保證了病害評價的準確性,為文物保護設計提供了依據(jù)。3檢驗他們的準繩石質(zhì)文物病害研究發(fā)展受到實踐中病害現(xiàn)象的推動,而試驗是提出理論模型和工程準則的基本出發(fā)點,也是檢驗它們的準繩。病害表現(xiàn)形式及程度是四個獨立因素的函數(shù),即巖性(M),環(huán)境(E),病害反應過程(P)和形狀(F),這四個參數(shù)都是時間(t)和空間(s)變量,其簡單的數(shù)學表達方式是:文物保護工作者一直試圖對這個簡單的數(shù)學方程所代表的復雜相互作用進行分解研究,從而實現(xiàn)對病害的準確判定和預測。3.1石質(zhì)文物的風化機理風化造成的危害是漸進的,在沒有達到一定程度時,現(xiàn)象并不顯著,因此對它的研究僅憑肉眼觀察難以完成,要更多地借助一些現(xiàn)代測試方法如:SEM、TEM、X射線衍射、高效液相色譜、EDS、傅立葉變換紅外光譜等對樣品進行微觀測試分析,研究其風化機理。秦中等對江蘇、河南及貴州等地石質(zhì)文物樣品成分檢測分析,發(fā)現(xiàn)由碳酸鹽巖制成的各類石質(zhì)文物,在基本成分方面并沒有特殊之處,石質(zhì)文物的巖性是由碳酸鹽巖的多種成分及其相互之間的結(jié)合方式?jīng)Q定。Biscontin,Grimm,Fitzner和Kownatzki均證實了巖性或均一性的微小變化,都可能引起風化程度的巨大不同。石質(zhì)文物的風化和水的滲入侵蝕有很大關系。常規(guī)土工試驗計算得到的孔隙比,無法確認孔隙的大小、形狀、分布和連通情況,而這些參數(shù)是研究風化現(xiàn)象的關鍵特征值,X線斷層成像(μCT)提供了一種研究孔隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的方法。3.2粒沉淀的測定我國對附垢現(xiàn)象研究較少,國外則已形成了系列研究。其中,英國國家自然暴露計劃(N.M.E.P)從1987年到1995年歷經(jīng)8年作了三個地方對比性的室外附垢實驗。附垢(soiling)被定義為:因外生顆粒附著帶來的表面色澤變化(ICOMOS-ISCS),用反射率來表示,其程度通常和大氣中的顆粒沉淀有關。通常,附垢帶給人們對文物“歷史滄桑感”的肉眼感覺。附垢過程可以用一個指數(shù)函數(shù)來表示:式中,R0為未附垢的巖面反射率,Rt為時間t時刻巖面反射率,R∞為最終巖面反射率,k為附垢速度(附垢過程中的時間常數(shù))。當附垢面積達到0.2%,肉眼就可以辨別出污垢,達到2%時就會引起視覺不舒適感,達到5%時就會引起較嚴重的不適。附垢主要依賴于巖體類型和所處的環(huán)境,Grossi等對兩種截然不同的環(huán)境下(海洋性氣候和大陸性氣候),花崗巖、大理巖和石灰?guī)r的附垢速度進行了試驗研究。其中,灰?guī)r在有遮擋的情況下,兩種環(huán)境中表現(xiàn)基本相同,都比大理巖和花崗巖要嚴重很多。戶外無遮擋條件下則與降水有很大的關系?；?guī)r的附垢速度和時間的平方根成正比,可以據(jù)此確定清洗的時間,其他的巖樣則沒有這種關系。Beloin和Haynie認為附垢的程度可以用附垢暗化后表面反射率和原巖面的反射率之比來計算。附垢物中的一些元素如Fe、Ni、Cr等能夠加速SO2的氧化速度,從而加速了巖體表面的風化。3.3云岡石窟的風化特征根據(jù)試驗目的不同,試驗研究可以分為簡單模擬試驗、實驗室老化模擬試驗和田野長期觀測試驗。在實驗室條件下,模擬自然條件下復雜的風化過程會涉及到時間及尺寸比例效應問題,以及自然條件下濕度、溫度和其它因素的復雜關聯(lián)關系。因此,即使再完美的模擬實驗也難以精確模擬文物病害。但是,實驗室模擬可以在較短時間內(nèi)針對某種風化因素做出判斷。同時,在無損檢測的配合下,可以對其風化過程作動態(tài)觀察評價。毋庸置疑,由巖性、孔隙率及膠結(jié)物類型等決定的巖石本身的耐久性能對病害類型、程度起重要作用。但是,很多情況是數(shù)百年甚至上千年變化不大的石質(zhì)文物,近幾十年卻變得圖案模糊,有的甚至難以辨認,如北京故宮的石欄、石雕。因此,保護人員認識到石質(zhì)材料本身的特性和自然或人為作用的相互關系決定了病害的類型和程度。病害研究從單因素、短期作用向多因素、長期的巖石特性和周圍環(huán)境關系等方面作用轉(zhuǎn)變。周尚忠模擬溫度變化、降水、酸雨、降塵、風環(huán)境等不同環(huán)境因素對云岡石窟的影響,當風速為9m/s(相當于5級),100μm直徑的顆粒物能量是2.2×10-23J,遠低于石英(1.4×10-18J)和長石(2.1×10-18J)的晶格能。但由于石英和長石之間是由鈣、泥膠結(jié)而成,其分子間力很小,在顆粒物的沖擊之下容易松動、破裂。所以風對云岡石窟雕像外層石質(zhì)的沖刷不容忽視。同時,水環(huán)境及空氣中化學氣體和顆粒物的作用也不容忽視。趙以辛等[17~18]對南響堂石窟進行了酸雨淋濾溶蝕模擬實驗,并給出了酸雨破壞石質(zhì)文物速度和溶蝕深度,指出石雕表面的氣水-粉塵-巖相相互作用,是文物表面破損的一個主要原因。目前,最多的模擬試驗是凍融(冷熱)試驗和鹽類試驗。3.3.1凍融循環(huán)作用在正常的溫度范圍內(nèi),單獨的溫度應力不足以引起巖石的破壞。在凍融或冷熱循環(huán)作用下,是否會出現(xiàn)風化現(xiàn)象及風化程度與循環(huán)作用的頻率和程度直接相關,是一個早已熟知的事實。世界上有不少學者都對此進行了研究。Ruiz等對采自西班牙的Laspra白云巖進行了循環(huán)凍融(在-15℃及+10℃下各放置2.5h為一個循環(huán)),用CT技術對巖樣進行掃描,分析巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)在凍融條件下的演化,發(fā)現(xiàn)當超過7次凍融循環(huán)后,巖樣才會出現(xiàn)碎塊;超過12次后裂縫貫通致使巖樣破壞。Nicholson等對10種不同的沉積巖進行了從-18℃(18h)到+18℃(6h)為一個周期的凍融循環(huán)試驗,得到不同種類沉積巖破壞時所經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù),分析了凍融后巖石的質(zhì)量損失,并提出巖石已有缺陷對巖石影響的4種巖石劣化模型。Hallet提出了一個冰凍模型,Viklander則對凍融循環(huán)作用下巖體的凍脹進行了研究。關于凍融(冷熱)周期作用和巖體完整性之間的關聯(lián)參數(shù)卻很少有人涉及。Mutlütfirk等提出了一個巖體在周期性凍融和冷熱循環(huán)作用下,巖體完整性缺失的一階數(shù)學模型,即:式中,In是N次循環(huán)后完整性(用肖式硬度來表征),I0是初始完整性,λ是劣化常數(shù)。這個模型用10個不同的巖樣(4個灰?guī)r,3個石灰?guī)r,2個大理巖和1個輝綠巖)驗證了風化速率與每次循環(huán)之前的完整性成正比。凍融循環(huán)作用下λ為-0.0028~-0.0068,半衰期為100~245個循環(huán);冷熱循環(huán)作用下λ為-0.0026~-0.0084,半衰期為86~264個循環(huán)。同時,實驗證明,在凍融和冷熱周期循環(huán)作用下,巖體的耐久性和巖性無關。Marini利用超聲脈沖速度法(UPV)對大理巖、石灰?guī)r和砂巖進行120個凍融循環(huán)作用,對石塊進行間接測試及直接測試,對其相關性得出結(jié)論,即式中,υdir為實驗室直接測試情況下的波速;υind為模擬現(xiàn)場間接測試下的波速。3.3.2在空氣中的儲層巖石可溶鹽析出時晶體體積膨脹,產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力或水合壓力(如CaSO4·nH2O的結(jié)晶壓力可達100~200MN/m2),反復的溶解和結(jié)晶足以脹破石材微孔,形成表面的裂紋甚至鱗片狀剝落。己知的能形成鹽霜的鹽有50多種,主要是碳酸鹽、硫酸鹽、鹽酸鹽、硝酸鹽、草酸鹽和重鹽。在明代古城墻表面多見鱗片狀剝落現(xiàn)象,鱗片厚度與巖石礦物顆粒的直徑有關,粗砂巖的鱗片厚度約為3~4mm,細砂巖中形成的厚度約為0.15~1mm。Wendler,Klemm和Snethlage認為在干濕循環(huán)控制的深度范圍內(nèi),有一個永久性的潮濕帶,在這個潮濕帶內(nèi)含鹽量最高。在水和鹽作用下,巖體產(chǎn)生膨脹,從而導致鱗片狀剝落,含粘土成分的砂巖最容易產(chǎn)生這種病害。通常認為大氣污染物中的硫是文物風化的重要原因,但并不是空氣中所有的硫都沉淀在石頭表面發(fā)生反應。Furlan和Girardet發(fā)現(xiàn),在歐洲的不同城市,每種巖石表面硫沉淀速度不同,并有不同的特征吸附量。試驗得出:對于磨礫砂巖而言,當空氣中硫的含量超過25g/m2,才會有病害的表現(xiàn)。SnethlageR指出高含水量、高濃度的污染物(SO2及其衍生物)、低干燥速度會導致最嚴重的風化。而巖體中的方解石可以阻止SO2的侵蝕,直到其全部轉(zhuǎn)化為石膏。Storch和Tur用聲發(fā)射分析(AEA,頻率:50kHz-1MHz)模擬了砂巖在硫酸鈉結(jié)晶和凍融循環(huán)條件下微裂隙發(fā)展情況。Na2SO4·10H2O的形成產(chǎn)生AEA信號,肉眼可見的微裂隙發(fā)生在6次循環(huán)之后,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,AEA信號強度增加,裂隙的形成主要在凍結(jié)階段(試驗溫度為40~-20℃)。Butlin等對29處石質(zhì)和鐵質(zhì)文物進行長期監(jiān)測后,發(fā)現(xiàn)文物的侵蝕速度取決于長期平均SO2的濃度,而不是短期濃度。Warke等進行的包含鹽風化和凍融循環(huán)的耐久性試驗表明,中粗粒的砂巖比細中粒的耐久性好,這是由于中粗沙的低空隙、低滲透性阻止了鹽的滲入。礦物和結(jié)構(gòu)的微小差別就可影響風化特性、風化速度和破壞方式。3.4不同巖性的風化速度風化速度和程度是研究風化的主要目的之一。通常,用質(zhì)量損失來表征風化速度和程度。近年來,開始越來越多地用孔隙率、波速等其它參數(shù)來表征。Oguchi等以火山噴發(fā)時作為風化起點,研究了4萬年內(nèi)流紋巖的風化特性。他們發(fā)現(xiàn)在前2萬年內(nèi)化學特性和物理特性(包括比表面積)變化較慢,后2萬年內(nèi)則變化較快。而力學特性、體密度和孔隙率則正好相反。力學強度在4萬年內(nèi)降低了70%~90%,化學和物理特性僅僅變化了10%~30%。因此,不同特性值表征的風化速度是不同的,其中,力學強度指標表征的風化速度是最快的。YukinoriMatsukura等用質(zhì)量缺失表征化學風化速度,分別選用2萬年和2千6百年的多孔流紋巖,制成直徑3cm厚1cm的試塊用尼龍網(wǎng)格袋包裝,埋在一個山坡的土與巖體交界面5年。較年輕的巖石的重量損失0.5%:而較老的達到3%~5%。實驗表明,巖體的年代不同,其風化速度不同。較老巖石較快的化學風化速度是由于高空隙率和大比表面積的原因。Kimiya證明花崗質(zhì)沙礫石的抗拉強度與風化時間成指數(shù)遞減。Crook和Gillespie發(fā)現(xiàn)花崗質(zhì)沙礫石P波波速隨時間呈對數(shù)遞減。Grimm發(fā)現(xiàn)孔隙率越高,粘土和可溶礦物的含量越高,越容易產(chǎn)生風化,但是風化速度取決于存放環(huán)境。Richard等按照歐洲標準,對泥灰?guī)r作了鹽結(jié)晶試驗、凍融試驗、SO2模擬試驗和SO2-凍融試驗,并對各循環(huán)次數(shù)下做了無損(質(zhì)量、開放孔隙率、吸水率、毛細吸水率、P波波速、S波波速)及有損(光學微觀觀測、力學特性和汞注入孔隙測量)檢測。結(jié)果表明:質(zhì)量(體密度)在凍融和鹽結(jié)晶各次循環(huán)作用下變化值可以忽略不計,其余各參數(shù)并沒有隨著循環(huán)次數(shù)增加而遞變的特性。上述試驗表明,不同的巖性的風化因素是不同的。那么,對某種巖性而言,哪種風化因素危害性最大?哪種試驗可以提供巖石風化速度或程度最可靠的量測方法?這是目前學者研究的方向之一。3.5凝灰?guī)r風化研究石質(zhì)文物保護的一個重要參數(shù)是風化深度的檢測。對于比較大型的石質(zhì)文物,也許幾厘米的風化深度都不至于影響其整體價值,但是對于比較精細的石質(zhì)文物,也許不到1mm的風化深度就足以毀滅石質(zhì)文物表面上的文字、雕刻紋飾。云岡石窟的石雕表面多見鱗片狀剝落現(xiàn)象。云岡石窟第九、第十窟前的5根石雕列柱,其風化層厚達20cm,而列柱本身直徑才80~100cm。由于污染物和大氣作用引起的風化深度主要是由石質(zhì)材料擴散系數(shù)和溫濕度的比值決定的。由于鹽類溶解、析出所引起的風化深度則取決于最大浸潤深度,而這個深度受孔隙的分布、特點和材料滲透性等因素影響[35~36]。TamerTopal對位于土耳其的一塊微風化的凝灰?guī)r碑刻利用光學顯微鏡、XRD、化學分析、SEM和風化指數(shù)(如:WPI、PI、R、P等)等多種手段進行研究分析,試驗表明:在化學風化指數(shù)中,LoI(燒失量:樣品加熱到900~1000℃時水的含量)和WPI(風化潛指數(shù):(K2O+Na2O+CaO-H2O)·100/(SiO2+Al2O3+Fe2O3+TiO2+CaO+MgO+Na2O+K2O),摩爾比)能較好地表征凝灰?guī)r風化深度。日本鹿兒島一座150年的熔凝灰?guī)r石橋病害是由物理、化學和生物風化綜合因素造成的。Esaki和Jiang對其風化情況從物理風化指數(shù)PWD[(風化后有效孔隙率-未風化有效孔隙率)/(全風化有效孔隙率-未風化有效孔隙率)]、化學風化指數(shù)CWD[(風化后結(jié)合水-未風化結(jié)合水)/(全風化結(jié)合水-未風化結(jié)合水)]和同時考慮這兩種因素的風化指數(shù)TWD(=aCWD+bPWD,a和b是與巖性和環(huán)境有關的權重值)進行了分析,物理風化的特點是有效孔隙率的增大,深度大約是5cm。化學風化主要是水合作用和氧化作用,深度約l0cm。3.6生物與石質(zhì)文物的危害程度如果石質(zhì)文物長期處于一種陰暗潮濕的條件下,微生物就會大量繁殖,使得文物表面長滿苔蘚和地衣,這些微生物分泌出來的生物酸和酶能腐蝕石刻,造成石質(zhì)表面的風化和腐蝕。生物的破壞作用盡管較為緩慢,但累積效果不可小視,據(jù)初步估計有20%到30%的石頭表層腐蝕是生物作用的結(jié)果。生物對石質(zhì)文物的危害程度不僅與微生物的種類有關,也與石材的性質(zhì)和周圍環(huán)境有關。張秉堅對包括細菌、真菌、光合類微生物和地衣等有關微生物的侵蝕作用過程的生物化學和生物物理機理進行研究,將微生物侵蝕過程分為三個階段:微生物的傳播與沉積階段(誘導期)、微生物與巖石的相互作用階段(對數(shù)期)和腐蝕層的剝離和腐蝕循環(huán)(恒定期)。在一般情況下微生物是石質(zhì)文物的破壞因素,但有些石質(zhì)文物表面可以形成一種以水草酸鈣為主要成分的致密的生物無機膜,阻擋許多有害物質(zhì)的滲透侵入,同時由于與基底巖石結(jié)合緊密,不易被各種應力破壞,能夠使碳酸巖石質(zhì)文物上的石刻字跡得以保存上千年。3.7巖石風化過程、巖樣的一般特征近年來,對于城區(qū)污染環(huán)境下石質(zhì)文物風化的研究有很多,但是很少有長時間的實驗研究。Turkington對城區(qū)污染環(huán)境下的砂巖進行了6年觀測試驗,發(fā)現(xiàn)不同組分,不同暴露環(huán)境下的砂巖,其風化反映特性截然不同。在遮蔽處,巖樣的鹽含量呈指數(shù)級增長,而在暴露環(huán)境下則無一般性結(jié)論。砂巖初期的風化速度很快,后期速度要慢很多。因此,初期的風化對于長期的風化至關重要。由于巖石風化程度的復雜性,石質(zhì)文物的壽命不能由短