西北干旱區(qū)遺址土鹽風化機理研究——以Na2SO4-NaCl混合鹽為例.pdf

1、土遺址是歷史上遺存的人類文化活動場所，其作為一種人類歷史活動信息的載體，是人類歷史發(fā)展的結晶和智慧的沉淀，承載著豐富歷史信息和文化內(nèi)涵。土遺址不僅具有深厚的科學和文化底蘊，同時在建設社會主義政治、物質(zhì)以及精神文明，促進社會經(jīng)濟文化發(fā)展等發(fā)面發(fā)揮著重要作用。得益于西北地區(qū)干燥、少雨的氣候環(huán)境，大量的土遺址得以保存至今，隨著絲綢之路成功申請為世界文化遺產(chǎn)以及國家"一帶一路"的發(fā)展戰(zhàn)略，中國西北干旱區(qū)土遺址保護受到了廣泛關注。
　　土遺

2、址大多為不可移動文物，在千百年自然營力的作用下發(fā)育有多種不同類型的病害?；趯z址土病害產(chǎn)生發(fā)展過程的全面調(diào)查以及土體劣化到結構失穩(wěn)的演化過程，發(fā)現(xiàn)遺址土鹽風化是病害發(fā)育的關鍵因素同時也是遺址保護中亟待解決的問題。由于遺址土的鹽風化研究涉及了分析化學、材料科學以及巖土工程等多個學科，加上繁多的鹽分種類和復雜的分析體系，使得研究方向較為分散且相對獨立，最主要的時缺少基于物理化學的鹽分系統(tǒng)性研究體系。土遺址保護基礎方面研究的嚴重不足，極大制

3、約著對這些珍貴文物的保護。因此，需要系統(tǒng)深入地開展遺址土風化機理，尤其是鹽風化機理以及相關影響因素的作用機制研究，進而以此為基礎對不同類型病害采取針對性的防治措施，才能真正達到科學保護的目的。
　　本文從西北干旱區(qū)土遺址實際富含鹽分為出發(fā)點，結合目前鹽風化研究的熱點和重點鹽分，選取Na2SO4-NaCl混合鹽為研究對象，從鹽分自身特點及其對外部環(huán)境變化響應兩部分，展開了對西北干旱區(qū)遺址土鹽風化機理的研究。通過熱力學理論計算得到了N

4、a2SO4-NaCl-H2O體系相平衡，并利用化學分析手段充分了解了Na2SO4-NaCl溶液的結晶-溶解特性及其結晶破壞能力，為遺址土鹽風化機理研究提供理論依據(jù)。通過試驗分析了不同濃度比混合溶液的水鹽運移特性，探究結晶位置對遺址土劣化模式的重要性。通過宏觀表現(xiàn)和微觀分析，著重探討了溫度場變化下，含有Na2SO4-NaCl混合鹽遺址土的鹽風化機理?；谖鞅备珊祬^(qū)土遺址賦存環(huán)境變化考慮，從含鹽遺址土吸濕-放濕特性著手，設置不同水汽來源（氣

5、態(tài)水和液態(tài)水）的干濕循環(huán)試驗，對比分析了水-熱-鹽相互作用下含鹽遺址土的風化差異。本文主要研究內(nèi)容和取得的研究成果如下：
　　（1）利用Pitzer擴展模型實現(xiàn)了Na2SO4-NaCl-H2O三元體系溶解度準確預測。預測結果顯示：Na2SO4·10H2O只能存在于32.4℃以下的三元體系中，同時，隨著NaCl含量的增加，Na2SO4·10H2O-Na2SO4(Ⅴ)轉變溫度降低，Na2SO4·10H2O越不穩(wěn)定。在17.6℃-32.

6、4℃溫度范圍內(nèi)，任意溫度下的Na2SO4-NaCl混合溶液會隨著NaCl含量的增加，穩(wěn)定相由Na2SO4·10H2O逐漸向Na2SO4(Ⅴ)轉變。
　　（2）不同濃度比鹽溶液結晶試驗以及混合鹽的溶解試驗結果表明：在蒸發(fā)過程中，NaCl的加入，并不會對Na2SO4結晶路徑產(chǎn)生影響，Na2SO4(Ⅴ)是整個結晶過程中唯一穩(wěn)定的Na2SO4晶體。在溶解過程中，部分混合鹽分中會有疑似Na2SO4·10H2O的晶體生成，但是并沒有出現(xiàn)太大的

7、體積變化。通過毛細管蒸發(fā)試驗發(fā)現(xiàn)：以Na2SO4為第一析出晶體的混合溶液，過飽和度較小且NaCl的存在對Na2SO4(Ⅲ)結晶過飽和度并沒有產(chǎn)生太大影響，反之，以NaCl為第一析出晶體的合溶液，過飽和度較高，Na2SO4含量對溶液過飽和度的影響也較大。
　?。?）通過不同濃度比溶液高飽和度試樣在室溫環(huán)境的蒸發(fā)結晶試驗，對不同干密度和初始含水量試樣的劣化模式進行了分析研究，結果表明：含純Na2SO4試樣表面有大量的Na2SO4·10

8、H2O晶體析出，是典型的表面晶體生長（efflorescence）；隨著NaCl的加入，劣化模式轉變?yōu)楸砻婢w生長（efflorescence）與表層下面的晶體生長（subflorescence）相結合，當NaCl摩爾分數(shù)在0.8以上時，試樣表面只形成結晶殼層，并沒有出現(xiàn)風化剝落，其結晶劣化模式可劃分為表層下面的晶體生長（subflorescence）。此外，對于出現(xiàn)質(zhì)量損失的土體，質(zhì)量損失比大體上隨著干密度和初始含水量的增大而逐漸減小

9、，隨著NaCl溶度的增大逐漸增大。
　?。?）為了研究溫度控制條件下遺址土鹽風化機理，開展了不同干燥溫度下的含鹽土鉆入阻力測試，并對其鹽分遷移、微觀結構以及孔隙分布變化進行了分析研究。結果表明：①含鹽試樣的鉆入阻力受鹽分含量和干燥溫度雙重耦合作用，干燥溫度影響的強度變化敏感區(qū)主要分布在試樣表面1mm深度范圍。含鹽量低的試樣表面強度增幅基本較小，當有Na2SO4·10H2O生成時，表面強度會有所下降，含鹽量較高的試樣，強度基本都出現(xiàn)

10、了明顯地增大。105℃條件下干燥后的試樣強度最低，其他溫度條件下干燥后的強度較高，但試樣的含鹽量不同，干燥溫度變化引起的強度變化規(guī)律存在一定差別。②表層1mm土體離子存在明顯富集，隨著溫度的增大，表層1mm土體中離子含量減小，但也存在一定的離散性。鹽分富集的表層1mm土體中，NaCl含量較少時，試樣表面富集的鹽分中NaCl摩爾分數(shù)小于初始值，隨著NaCl含量的增加，表面富集鹽分中的NaCl摩爾分數(shù)也逐漸增大且大于初始值。③晶體層在土體表

11、面膠結覆蓋，干燥溫度越高，表面晶體富集量越少，其中40℃干燥后，試樣表面鹽分富集程度最高。溫度對土體內(nèi)部結構影響較小，鹽分的存在使得土體孔隙減少，凝塊狀膠結體增加。④不同溫度干燥后的試樣表面孔隙變化集中在直徑5μm的大孔隙和直徑3μm的中孔隙，當干燥溫度較高時（60℃和105℃），鹽分多在大孔隙中結晶，低溫干燥的情況下，鹽分在大孔隙和中孔隙中均有分布，且中孔隙中充填鹽分晶體較多。干燥溫度越高，含鹽試樣的孔隙數(shù)量和直徑也會相應增大，鹽分含

12、量越小，溫度對試樣表面土體孔徑大小的影響越明顯。
　　（5）水-熱-鹽相互作用下的遺址土鹽風化試驗以含鹽遺址土為研究對象，在不同溫度條件下，通過反復的加水-干燥來模擬表面鹽分富集的土遺址遇水（降雨）后的鹽風化過程，同時設計了室溫條件下的干濕循環(huán)（水蒸氣）試驗來進行對比分析。試驗結果表明：①采用液態(tài)水進行不同溫度控制條件下的干濕循環(huán)，在5℃和室溫時，Na2SO4(Ⅴ)晶體遇水溶解從而生成過飽和溶液，進而誘導形成水合物，產(chǎn)生結晶壓力，

13、使得在溶解過程中可以生成水合物（Na2SO4·10H2O、Na2SO4·7H2O）的試樣表面發(fā)育有裂隙，且開裂程度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。在5℃時，溶液過飽和程度較大，試樣整體上破壞程度要較室溫條件下的嚴重，干密度越小，破壞程度越嚴重，且在相同的溫度控制條件下，干密度小的試樣開裂需要經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)較少。在40℃進行干濕循環(huán)的所有試樣均沒有出現(xiàn)明顯的破壞，經(jīng)過多次干濕循環(huán)的試樣表面由于鹽分析出不均勻而形成不規(guī)則顏色加深。②室溫條件下采用