基于磁化率测量平遥古城古砖的烧制温度

申佳妮，张中俭

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

0 引 言

古建筑的砖体在多年自然营力作用下正遭受着严重的风化破坏，亟待修复与加固。现如今，古建筑古砖的保护越来越受到人们的关注。

烧制温度决定了古砖的物理力学性质[1]。研究古建筑古砖的烧制温度有利于寻找古砖替代砖。国内外学者对测量古砖烧制温度的方法进行了大量的研究。

许多专家学者根据不同烧制温度下古砖的化学性质和物理性质不同，对古砖的烧制温度进行分析。Cultrone等[2-3]发现不同烧制温度下古砖中化合物和矿物成分及含量明显不同。他们利用SEM观察古砖的矿物成分和对古砖进行超声波测量，推断拉脱维亚的三角堡垒中黄色古砖的烧制温度低于红色古砖[4]。Seneviratne等[5]发现古砖中氟化物含量会随着烧制温度变化而变化，根据氟化物的浓度变化可以推测古砖的烧制温度。Chatfield[6]和Maniatis[7]等发现烧制温度越高，黏土砖的玻璃化程度越高，黏土基质烧结和玻璃化程度可以粗略评估砖瓦的烧制温度。Maggetti[8]等发现不同烧制温度下黏土砖中伊利石中间层的厚度明显不同，他们利用XRD测量伊利石中间层的厚度从而对砖瓦块的烧制温度进行了估计。Mirti[9]和Davit[10]等发现黏土砖的颜色会随烧制温度的改变而改变，根据黏土砖表面颜色的不同可以对比古砖的烧制温度。但以上方法只能推测黏土砖的烧制温度高于(或低于)某一温度，或者将两块黏土砖温度进行比较，并不能测算出黏土砖的具体烧制温度。Roberts和Tite[11-12]等发现黏土砖的热膨胀系数会随着黏土砖的烧制温度而变化，形状规则的砖瓦块可以利用它的热膨胀系数来测量它的烧制温度。但这种方法只适用于500～1 200 ℃之间烧制温度的黏土砖，烧制温度太高或太低都无法得出结果，且误差较大。Hayashida[13-14]等通过观察黏土砖的Mossbauer线的强度来估计黏土砖的烧制温度。但此种方法误差较大，只能估计烧制温度的区间，测量需要精密仪器，操作复杂。

在焙烧黏土砖时，黏土块内的矿物经历特征性反应，例如脱羟基化，分解和转化。其中，烧制温度影响矿物的变化程度[15-16]。在烧制时，随着原始矿物的破坏和新生矿物的产生和生长，黏土砖的磁性也发生变化；黏土砖一旦冷却下来，矿物成分和磁性就不会再发生变化[17]。基于此，本研究提出利用磁化率来确定黏土砖的烧制温度。首先，利用该方法测试已知烧制温度的古砖，检验该方法的可靠性；然后，利用该方法，测量了平遥古城10块古砖的烧制温度。

1 测试方法

对黏土砖重新进行回温时，当黏土砖在低于原烧制温度时，其矿物成分几乎不会再发生变化，矿物磁性也基本不会发生变化。但是当重新回温的温度接近或大于原烧制温度时，原先未反应的矿物或新生成的矿物会发生改变，从而引起矿物磁性的改变。因此，可以通过黏土砖的磁性来确定黏土砖的烧制温度。

假定黏土砖的烧制温度范围，将黏土砖放入高温炉中，将高温炉升温至假定最低温度，并保持24 h。关闭高温炉电源，黏土砖在高温炉中静置24 h，并完全冷却。

从高温炉中取出黏土砖，使用SM-30型磁化率测量仪对其进行测量，每块黏土砖测量3次，求取3次所测磁化率的平均值，获得黏土砖在假定最低温度下的磁化率数据。之后每次增加温度间隔20 ℃，重复上述升温、降温和测量磁化率的步骤，直至温度达到假定最高温度，获取这组黏土砖在相应温度下的磁化率数据。

将不同温度下黏土砖的磁化率作为纵坐标，升温温度作为横坐标，获得黏土砖磁化率-温度曲线图。将相邻的黏土砖磁化率数据的差值的平方作为纵坐标，温度作为横坐标，获得磁化率差值的平方—温度曲线图，该曲线图中第一次较大的偏差的横坐标即为黏土砖的烧制温度。

2 已知烧制温度的黏土砖的烧制温度测量

为了验证该方法的合理性，从平遥县取土，设置不同的烧制温度分别在高温炉中烧制黏土砖。利用本研究所述的方法测量上述黏土砖的烧制温度，并与其实际烧制温度进行对比。

在高温炉中烧制黏土砖所设置的温度分别为700 ℃、800 ℃、900 ℃，每种烧制温度制作2块边长为4 cm的立方体样品。将上述6块黏土砖在50℃下烘箱内烘干24 h，冷却后将表面磨平。

图1为烧制温度700 ℃、800 ℃和900 ℃的黏土砖的磁化率差值的平方-温度曲线图，该曲线图中第一次较大的偏差的横坐标即为黏土砖的烧制温度，如图1中箭头所示。由于试验测试时每次温度增量为20 ℃，所以，磁化率突变所对应温度应该为20 ℃内的某一温度，本研究取增量的中间值10 ℃。

表1给出了6块黏土砖烧制温度的测量结果。表1所示的编号(A-B)中A代表烧制温度，B代表该烧制温度下的样品编号。例如，700-1表示为烧制温度为700 ℃的第1个样品。

由表1可知，根据磁化率变化，测量黏土砖烧制温度的方法，误差较小。实验结果表明根据磁化率变化，测量黏土砖烧制温度的方法可行。

表1 基于磁化率测量已知烧制温度黏土砖的烧制温度Table 1 Results of measuring the firing temperatures of bricks with known firing temperatures

3 平遥古城古砖的烧制温度测量

在平遥古城的鹦鹅巷、贺兰桥、仁义街以及城墙等处取得古砖10块。每块古砖切割出2个边长4 cm的立方体样品，作为平行样品对该块古砖的烧制温度进行测量。通过测试不同温度下的磁化率来分析这10块古砖的烧制温度。

图2为平遥古城古砖的磁化率差值的平方-温度曲线图，该曲线图中第一次较大的偏差的横坐标即为古砖的烧制温度，如图2中箭头所示。

图2 以平遥古城10个砖样为例测量古砖烧制温度曲线图Fig.2 Graphs of measuring the firing temperatures of bricks from Pingyao ancient city

需要说明的是，图2所示的编号(A-B)中A代表古砖编号；B代表每块古砖切割成的样品编号。例如，1-1和1-2分别为所取的第1块古砖切割成的第1个和第2个样品。

由图2可知，平遥古城古砖烧制温度在650～690 ℃和850～870 ℃两个区间范围内。

在炉灶中燃烧玉米秸秆的火焰温度实测500～700 ℃[18]。作者曾用希码AR872D红外测温仪测试在空旷环境中燃烧的木材的温度为830 ℃。

据此，推测烧制温度为650～690 ℃的古砖是以秸秆为燃料烧制而成；烧制温度在850～870 ℃的古砖是以木柴为燃料烧制而成。

4 结 论

本研究通过测试不同温度下平遥古城黏土砖的磁化率，得到了其烧制温度。具体而言：

1) 通过将已知烧制温度为700 ℃、800 ℃和900 ℃的黏土砖重新加温，测量黏土砖不同温度下的磁化率，得到其烧制温度分别为690 ℃、810 ℃和870 ℃。基于磁化率方法测量含有磁性矿物的黏土砖、陶瓷等的烧制温度是可行的。

2) 利用上述测试方法，测量了平遥古城的10个古砖20个样品的烧制温度，发现古砖的烧制温度在650～690 ℃和850～870 ℃两个区间范围内。推测这两种古砖分别以秸秆和木柴为燃料烧制而成。