浅析水分与盐分运移的关系及对城墙造成的破坏机理研究*——以嘉峪关关城砖墙为例

许德臣，张晓东，马庆珍，柳君君，张　翔，徐晓君，陈　颖

浅析水分与盐分运移的关系及对城墙造成的破坏机理研究*

——以嘉峪关关城砖墙为例

许德臣1，张晓东2△，马庆珍1，柳君君1，张翔1，徐晓君1，陈颖1

（1.嘉峪关市世界文化遗产监测中心，甘肃嘉峪关735100；2.嘉峪关长城博物馆，甘肃嘉峪关735100）

嘉峪关地处西北干旱环境中，常年干旱少雨，蒸发量远大于降水量，在水分蒸发过程中带动可溶盐运移富集到遗址表面，致使遗址出现了风蚀剥落、酥碱掏蚀等病害，本研究旨在探讨水分蒸发与盐分运移的关系及其两者对砖墙的破坏机理。实验结果表明：同一监测点含水率同电导率基本呈正相关关系，可推断出盐分随水分蒸发而运移，两者的共同作用是造成砖墙酥碱的主要原因。

盐分；破坏机理；运移；电导率

1　概述

嘉峪关地处暖温带干旱区，常年干旱少雨，这在某种程度上有利于土遗址的保护，嘉峪关历经600多年岁月变迁，虽经过数次维修，城墙依然出现了掏蚀、酥碱、风化、沉降、裂隙等一系列病害，酥碱对城墙的破坏尤为严重，为更好的保护遗址，减轻其对城墙的破坏，特进行本实验，以研究其对城墙造成的破坏机理。文物本体内部及土体与地基土层之间的水分运移与其老化劣化关系密切，水分的运移还直接影响着文物温度场变化和易溶盐表聚［1］。

土类松散介质含水量的现场监测包括直接法和间接法两大类：直接法有放射性中子仪［2］，时域反射［3-4］等方法；间接法是以监测某类地球物理场为基础，如电场、电磁场等，通过对物理场的监测，反演介质含水量的变化，包括电阻率法［5］等，这些方法基本局限于天然土壤水分监测和研究，对于测试要求严格的土遗址，目前尚无深入研究。鉴于土遗址文物的特殊性，对其水分运移的研究，应采用无损监测方法。实测墙体电导率反演含盐量是无损监测方法之一。

电导法测定土壤水溶性盐的总量比较简单方便、快速，也适用于田间原状土壤盐分浓度动态的定位监测。不同地区的土壤电导特征，国内外多有研究［6-7］。目前，国外直接用电导率表示土壤的盐渍程度，国内也有人提倡用温度为25℃时的电导率直接表示盐渍度，但习惯上常用土壤含盐量的质量分数表示盐渍度。

土壤中的水溶性盐是强电解质，其水溶液具有导电作用，其导电能力的强弱可用电导率表示。在一定的浓度范围内，溶液的含盐量与电导率呈正相关，含盐量越高，溶液的渗透压越大，电导率也越大。因此，土壤浸出液的电导率的数值能反映土壤含盐量的高低，特别是土壤溶液中几种盐类间的比值比较固定时，用电导率值测定总盐分浓度的高低是相对准确的［8］。本文采用土壤浸出液的电导率来表达其含盐量。

近年来随着嘉峪关降雨增多，砖墙出现了渗水酥碱、掏蚀剥落等病害，且有不断增多加重之趋势，尤以东闸门最重，分别对东闸门东南立面酥碱进行全景（图1）、局部（图2）拍照，在50倍（图3）和200倍（图4）显微镜下观察其结晶形态。

图1　东闸门东南立面全景酥碱照片

图2　东闸门东南立面局部酥碱照片

图3　东闸门东南立面在50倍显微镜下酥碱样

图4　东闸门东南立面在200倍显微镜下酥碱样

2　墙体水分及电导率实验

2.1实验设备

美国光谱技术公司生产的2265FS盐分计，JTC50墙面地面水分仪，VHX-5000基恩士显微镜，电子天平（精确到0.0001g，型号FA2104B），研钵，容量瓶，量筒，三角漏斗，烧杯，滤纸，玻璃棒，移液管，洗耳球。

2.2试样制备及测试

电导率实验土样为嘉峪关东闸门城台和嘉峪关楼门洞现场采取的酥碱样，取样间距为10cm。试样实验前用研钵研细，用电子天平准确称取0.5g后置于烧杯中加100mL蒸馏水搅拌使充分溶解后过滤，用盐分计在恒温下测定其电导率。

在采样同时用墙面地面水分仪在采样点测定墙面含水率，以便研究水分同盐分运移间的关系。

3　实验结果分析（见表1、表2）

表1　东闸门城台东南立面横向监测

表2　东闸门城台东南立面纵向监测

图5　东闸门横向含水率与电导率关系曲线图

在相同的气象条件下，选取酥碱严重的嘉峪关关城东闸门城台东南立面进行横向和竖向水分、盐分监测，在同一监测点分别测定其含水率和电导率（应用含水率反映墙体水分含量，电导率反映墙体盐分含量），由图5图6可知同一监测点位含水率和电导率基本呈正相关，由此可推断出水分在蒸发过程中带动可溶盐运移，水分是盐分运移的载体。

图6　东闸门纵向含水率与电导率关系曲线图

在相同的气象条件下，选取新发生酥碱病害的嘉峪关楼门洞西南侧进行横向和竖向水分、盐分监测，在同一监测点分别测定其含水率和电导率（应用含水率反映墙体水分含量，电导率反映墙体盐分含量），见表3表4，由图7图8可知同一监测点位含水率和电导率呈正相关，由此可推断出水分在蒸发过程中带动可溶盐运移，水分是盐分运移的载体。

表3　嘉峪关楼门洞西南侧横向监测

表4　嘉峪关楼门洞西南侧横向监测

图7　嘉峪关楼横向含水率与电导率关系曲线图

图8　嘉峪关楼纵向含水率与电导率关系曲线图

4　结论

上述两组不同监测部位的横向、纵向含水率和电导率实验结果表明，同一监测点含水率同电导率呈正相关，可推断出水分在蒸发过程中带动可溶盐运移，水分是盐分运移的载体：

1）水分在运移过程中会改变砖体内部的微观结构，影响其强度和耐久性，研究发现砖体强度和耐久性随干湿循环次数的增加而衰减。而盐分在水分运移的同时不断累积使砖体中聚合物的直径增大超过了砖体内稳定状态时聚合物的直径，从而影响了砖体结构的稳定性，致使部分砖体出现酥碱剥落等病害。

2）在降雨之后强烈持续的蒸发作用下，砖体发生失水，改变了砖体原有的水盐平衡状态，砖体中的自由水和盐分的结合水发生由液态、固态？气态的变化通过孔隙向外界扩散，砖体中孔隙体积开始压缩，部分孔隙闭合，在不断的干湿循环中交替反复。这样反复的过程使砖体的结构遭受到严重的破坏，导致砖体强度降低，在沉降、震动等外力作用下发生砖体的断裂甚至脱落。

［1］ 周仲华、郑龙、孙拨.土遗址墙体含水量与电阻率关系研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（2）：4055-4057.

［2］ 陈洪松，邵明安.中子仪的标定及其在坡地土壤水分测量中的应用［J］.干旱地区农业研究，2003，21（2）：68-71.

［3］ 伍永秋，刘宝元，VAN DEN ELSEN E，等.黄土高原土壤水分的自动监测——TDR系统及其应用［J］.水土保持学报，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］ 任继周，朱兴云.河西走廊盐渍地的生物改良与优化生产模式［M］.北京：科学出版社，1997.39-40.

［8］ 鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000，152-200.

K870

2014年甘肃省文化遗产保护领域科研项目“嘉峪关世界文化遗产监测需求研究”（GWJ2014021）。

张晓东，（1971-），男，副研究员，E-mail：Zhangxd1971@163.com。