大雁塔盐害及劣化模拟试验研究

严绍军，彭立洲，农明艳，周伟强，时红莲，方 云

[1． 中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074； 2． 陕西省文物保护研究院，陕西西安 710075； 3． 西北大学，陕西西安 710069]

0 引 言

西安大雁塔是丝绸之路上重要的文化遗产，始建于唐高宗永徽三年(公元652年)，至今已有1300多年的历史。西安市气候相对干燥，盐分析出是塔体破坏的一个重要原因。盐害导致砖体粉化与剥落，强度降低，且这种现象主要发生在荷载最大塔体的底部一层。这种破坏现象有向塔体上部漫延的趋势。

盐害对不可移动文物的破坏是一个普遍现象，特别是在西部丝绸之路沿线干旱地区，这种作用更为明显。李佳珉等[1]就可溶盐对敦煌莫高窟壁画的劣化进行了模拟试验，重现了可溶盐的迁移和分布情况；在对云冈石窟盐害的试验模拟研究表明，可溶盐发育是导致石窟表面粉化脱落的重要因素，岩石的破坏是一个由内而外，先微观裂隙后宏观裂隙的过程[2]；对于长城这种砖—土结构，盐害也是砖体破坏的主要原因[3];靳治良等以室内试验模拟莫高窟壁画典型盐害现象，发现Na2SO4具有超强的穿透迁移及结晶破坏能力，芒硝对壁画的损害比石盐更为严重[4]；李黎等用盐溶液对石窟岩石处理发现，可溶盐的参与大大加速砂岩劣化的速度[5]；吕洪波等分析了盐害破坏的机理，提出盐害破坏的必要条件是适当的可溶盐供应和周期性的干湿交替及温度变化[6]；鱼汶在可溶盐浸泡干湿循环中发现岩石和盐的种类是影响盐结晶破坏的两个重要因素[7]；王锦芳基于溶液化学观点认为水分主要通过气态和液态进入材料内部，并导致盐分输运，前者依赖扩散机理，后者利用毛细作用，两者的转化点在于材料的孔隙率和孔径分布[8]；姜啸等通过实验模拟出不同湿度下盐溶液在地仗层中的毛细迁移及可溶盐再分布，表明空气湿度越低，毛细上升过程中水分向空气迁移越多，盐分难以向上迁移，并发现可溶盐在毛细水上升过程中发生结晶分异，毛细前锋以NaCl结晶为主，亚前锋以Na2SO4为主[9]。

本工作主要是在对大雁塔盐害初步调查分析基础上，在室内进行盐害劣化模拟试验，以此分析盐害对大雁塔砖体结构、强度的影响机理。

1 大雁塔砖体风化分析

从现场调查看，大雁塔盐害目前主要发育在毛细水影响高度范围内，上限约距底层地面2 m。盐害对砖体的破坏主要形式为粉化、片状剥落及表面片状开裂内部粉化的形式，由于砖体风化强度降低，基座砖体有错断外倾等结构性破损(图1)。

图1 大雁塔风化现状Fig.1 Weathering phenomena of the Great Wild Goose Pagoda

采取砖体表面粉化样品，利用X射线衍射仪，进行XRD测试。结果表明，在风化样品中，有一定量的硫酸盐(样品中主要为不易流失的石膏)，其他成分为粉化后砖体(图2)。另外对采取塔体内部砖样(编号为B2与B4)及表面风化样品(编号为DY1和DY4)，进行化学成分分析，结果见表1。化学分析结果表明，砖体主要成分为Si、Al、Ca、Mg及Fe元素，差别并不明显。风化样品与塔体内部砖体(基本未风化)成分主要差别为SO3及Cl，未风化样品的含量约为风化样品的10%，这表明风化样中存在可溶的硫酸盐和氯盐富集。

表1 塔体未风化砖体与风化样化学分析结果Table 1 Results of the chemical test for the samples of un-weathered and weathered Pagoda bricks (%)

图2 大雁塔风化样XRD测试结果Fig.2 XRD pattern of the weathered sample of the Pagoda brick

大雁塔砖体盐分主要来源基座土体毛细水。另外一个途径也应该引起重视，即上部塔体本身。从本次调查发现，在塔身上部，地基毛细水影响范围以外区域，也有盐害发育，盐害统计数据见表2。5层以上，主要受雨水冲刷，表面无明显盐害。

表2 大雁塔表面盐害面积统计结果Table 2 Statistical results of the surface salt damage areas of the Great Wild Goose Pagoda (m2)

盐害形成原因初步分析如下：首先，砖体本身含盐。从采取塔体内部未过水样品按照规范进行测试，结果表明，砖体本身易溶盐的含量约为0.2%(表3)；其次，由于环境污染，导致砖体溶蚀破坏形成砖体内部K、Na、Mg及Ca等元素的流失、富集而成。

表3 塔体砖易溶盐的成分Table 3 Soluble salt contents of the Pagoda bricks (mg/kg)

2 试验方案

2．1 试验仪器与材料

本次试验采用的仪器有：电子天平、恒温恒湿环境箱、超声波测试仪、单轴抗压实验机、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、压汞仪等。试验温湿度条件主要通过恒温恒湿箱来控制。超声波测试仪用于试验过程中，对样品性质的无损检测。单轴抗压测试用于试验过程中，对样品分批进行破坏性的强度实验。X射线衍射仪用于测试样品矿物类型。扫描电镜与压汞仪用于评价样品的微观结构。

由于大雁塔砖体属于文物本体，劣化试验需要的大量试样不可能直接采用塔体结构砖。本次劣化试验采用的砖体是选用与塔体砖体相同的原材料，按传统工法定制的大雁塔修复用砖。

对比试验砖样与古砖基本物理性质(表4)可知，试验用砖除了干密度较古砖稍高外，其他指标与古砖基本相同，特别是影响盐害发育的孔隙率与吸水率，现代试验用砖与古砖具有很好的可比性。同时采用XRD进行矿物成分分析(图3)，结果表明，两种砖体的图谱曲线基本类似，主要矿物为石英、长石，黏土矿物以非晶型存在，另外存在少量的沸石类矿物，未见莫来石。在试验用砖中，检出少量的方解石矿物，估计是原料中含钙质结核所致。总的说来，试验用砖能在一定程度上代表塔体古砖。

表4 模拟试验用砖与古砖基本物理性质Table 4 Basic physical properties of the brick for the simulation test and the ancient brick

图3 试验用砖与塔体古砖XRD图谱比较(上为塔体砖，下为试验用砖)Fig.3 XRD patterns of the brick for the simulation test and the ancient Pagoda brick

在前面的风化产物化学分析结果中，均检出有S2O3及Cl(硫酸盐及氯盐)。本次试验采用Na2SO4来模拟盐害对砖体破坏，主要是因为在干旱地区，Na2SO4对砖石结构的破坏是一个普遍性问题[10]，而相对来说，NaCl结晶无水，膨胀挤压效应一般，对砖石结构破坏效应比Na2SO4要弱[11]。

2．2 温、湿度控制

试验的目的是为了模拟易溶盐在砖体中反复结晶、溶解对大雁塔古砖的破坏效应。温、湿度控制实际上是在控制易溶盐晶体的不同相态。不同相态下晶体对岩石破坏能力是不同的。Steiger[12]给出了一个修正过的Na2SO4-H2O体系相态控制温度T和相对湿度RH表。利用该表可知，控制温度35 ℃、湿度50%可模拟在相对高温、低湿度情况下，形成无水Na2SO4；控制温度15 ℃、湿度75%可模拟在相对低温、高湿情况下，形成十水Na2SO4；十水Na2SO4对砂岩的破坏远小于无水Na2SO4。另外在干旱地区，无水Na2SO4形成的可能性更大，因此本工作只研究无水Na2SO4对大雁塔砖样的劣化试验。本次试验时，盐溶液温度控制在25 ℃，而脱水结晶温度35 ℃、空气相对湿度为50%。

2．3 试验步骤

1) 制样。将修补大雁塔的砖切成直径为5 cm、高为9cm的圆柱状试样。

2) 选样。将切好的试样进行初步筛选，选取没有破损的，高度、质量、体积较一致的试样。再测定波速，筛出波速相差较小的试样。

3) 试样编号。参照易溶盐对砂岩的劣化试验，制定10个循环，每循环5件样。

4) 试样测量。将所有试样放入(110±5)℃烘箱中烘至质量稳定，取出后，放入干燥箱中冷却至室温，测量各样的质量、尺寸、波速。

5) 吸盐饱和。采用水浴加热的方式，用加热棒控制25 ℃的温度，砖样用饱和Na2SO4溶液浸泡24 h后测量各试样的质量、尺寸、波速。

6) 脱水结晶。置于环境箱中(温度35 ℃、湿度50%)，脱水至稳定，测量各样的质量、尺寸、波速。

7) 循环步骤5)、6)，直至达到设定的循环次数。按不同循环次数取岩样进行抗压强度测试、电镜扫描、XRD矿物成分测试及微观结构检测。

3 试验结果与分析

3．1 试样表观特征分析

在样品脱水结晶过程中，试样表面分布有白色硫酸钠晶体，不利于观察其表面的形态破坏情况，因此选取试样(编号为10-1)浸水饱和后的试样照片(图4)进行对比分析。在第3次湿循环之后，大部分试样顶部颗粒脱落，棱角处开始变粗糙，出现粉化现象；随着循环的进行，粉化现象加剧，由表及里逐渐发生片状脱落。对比大雁塔古墙体的劣化照片(图4d)，可以发现试验砖体的盐害毁损模式与古墙体的盐害毁损模式类同。循环初期，试验砖体以颗粒脱落的劣化模式为主，随着试验的进行，试验砖体发生片状脱落。片状剥落后，再次发生由颗粒脱落到片状脱落的循环现象。

图4 试样与古砖劣化照片Fig.4 Deterioration of the samples and ancient bricks

3．2 微观结构分析

取试验样品进行电镜扫描实验，对比原始试样和不同循环周期试样的SEM结果(图5)。在劣化试验初期(图5a、5b)，盐分在断面表面富集并不明显，砖中原始颗粒(主要为长石和石英)形态清晰，粒间为烧结后黏土胶结物，其发育大量细小的烧结孔隙，为盐分的富集提供了空间。在早期，盐分主要富集于微孔隙，盐害作用效应并不明显。随劣化试验次数增加，盐分逐渐覆盖断面表面，并填充砖体内的大孔隙(图5c、5d)，此时砖体本身原始结构难以辨认，并形成结构疏松的填充物，盐分在砖体内部形成楔形挤压破坏作用。这种挤压力对砖体破坏是非常明显的：在微观上主要导致裂隙扩大，颗粒与胶结物界面脱落；在宏观上体现为砖体表面的粉末状破坏。

图5 试样微观结构图Fig.5 Microscopic structures of the samples

为了定量评价破坏过程，将试样脱盐处理后做压汞测试，得到孔隙率变化图(图6)。由图可知，孔隙率随循环次数不断增大，说明试样受无水Na2SO4侵蚀后，次生孔隙发育，孔隙率明显加大，是结构破坏主要效应。

图6 孔隙率变化图Fig.6 Porosity change results of the samples

3．3 质量变化

对每次饱和后样品质量进行对比，得到质量变化率曲线图(图7)。由图知，试验组所有试样的质量都经历了先上升后下降的过程。这是因为在初期，砖体并不会出现结构破坏，每次循环都会在砖体内部微孔隙内出现盐分富集。再次浸泡芒硝溶液也不会导致盐分完全流失，盐分在砖体内部为超饱和状态，盐分呈固相、液相共存的状态。浸泡后失水结晶过程中，受毛细水作用，溶液向孔隙内部退缩并结晶，形成类似楔形挤压的作用。在这个过程中，由于盐分富集，样品质量逐渐增加。通过本次试验也表明，这种烧结的多孔隙材料，对盐分具有一定的耐受性。初步分析，砖体易溶盐耐受程度约为砖体质量的0.5%。

图7 质量变化率曲线图Fig.7 Curves of mass change ratio

当盐分逐渐增加，样品出现结构性破坏时，表面出现粉末状和片状剥落，质量出现明显降低。

3．4 波速变化

弹性波在岩样中的传播速度可间接反应岩体的弹性模量、抗压强度及密度等指标。林达明等对岩体弹性波速和强度的相关性做出过论证，并且给出过建议性估算公式[13]。对盐结晶后的样品，采用波速仪进行测试，得到波速变化率曲线图(图8)，可间接得到砖体的物理力学性质变化过程。

图8 纵波波速变化率曲线图Fig.8 Curves of wave velocity change ratio

试验表明，波速随着循环次数的增加呈先增加后减小趋势。说明在硫酸盐侵蚀试样初始阶段，硫酸盐进入试样的开口孔隙中，降低了试样的孔隙率，增加了试样的表观密度，波速增加；随着试验的进行，孔隙内的硫酸钠晶体不断富集，晶体压力挤压孔隙壁，试样内部出现相互贯通的裂隙、胶结物损毁的现象，导致试样结构松散，波速下降。波速测试结果基本与质量变化率曲线相对应。

3．5 强度变化

试验循环进行到设定次数时，对样品进行破坏性的单轴抗压强度测试，用于分析宏观力学性质变化。从测试结果可以看出，试样的强度随循环次数的增加呈先升高后降低的趋势变化(图9)。循环初期无水Na2SO4晶体在孔隙和裂隙中发育，起到了填充和胶结作用，在一定程度上改善了砖体强度。随着循环的进行，孔隙内的硫酸钠晶体不断富集，内部孔隙大部分富盐后，晶体压力挤压效应才能比较明显地表现出来。随试验次数增加，后期强度衰减迅速。

图9 样品单轴抗压强度变化结果图Fig.9 Results of uniaxial compressive strength change

试样的强度变化结果基本反映了大雁塔砖体受易溶盐侵蚀过程中强度变化趋势。考虑到大雁塔体量大，底层砖体强度的衰减将会直接影响大雁塔本体的稳定性。

本次试验持续时间有限，模拟条件简单，上述关系仅能近似地反映古砖初期破坏过程，对于塔体内部复杂环境条件及盐害的后期效应，需要进一步研究。

4 结 论

通过本次研究，初步得到如下一些结论：

1) 盐害是大雁塔砖体破坏重要因素。盐害发育与毛细水的分布密切相关，同时不能忽略的是，在地基毛细水影响范围以外，也发现有盐害现象。大雁塔盐害主要为氯盐类及具有松胀作用硫酸盐类，本次劣化试验采用硫酸钠，并控制温湿度形成无水Na2SO4来模拟盐害作用。

2) 从试验过程中的宏观和微观形貌分析看，盐分富集应该首先在吸附性更为良好的烧结微孔隙中开始，然后向周围裂隙和大孔隙扩散，微孔隙中盐害具有易进难出的特点。当大孔隙及表面有宏观盐分时，砖体内部结构已经出现不可逆的破坏。

3) 无论是质量、波速，还是强度变化，在盐害富集过程中，均出现初期增长，后期明显降低的现象。主要是因为在盐分含量较低时，盐分对微孔隙起填充与胶结作用，上述指标均出现增长。而后期盐害的晶体挤压破坏效应占主导时，内部结构破坏，表面砖体粉化脱落，导致上述指标均明显的降低。

4) 通过本次研究，可以初步判断，传统烧结青砖对盐害具有一定的耐受力，当盐分含量低于0.5%时，砖体结构不会出现明显的破坏。