墓葬壁画地仗层吸-放湿动力学特性研究

邱立萍 张晓凤

摘要 对墓葬壁画地仗层的吸-放湿动力学特性进行了研究，通过设计吸-放湿实验，模拟地仗试块的吸-放湿过程，并绘制相应的吸-放湿动力学曲线，使用模型对试块的吸-放湿动力学曲线进行拟合。研究结果表明，墓葬壁画地仗层的吸、放湿过程均呈现出“先快后慢”的特点，“吸湿期”时间明显比“饱和期”时间更短，但吸湿量却达到了吸湿平衡时吸湿量的80％左右，放湿过程展现出同样的规律。在吸-放湿过程后试块的含湿率相较于试块初始含湿率更高，即有部分水分残留在壁画地仗层中。模拟地仗试块的吸湿动力学曲线和放湿动力学曲线分别符合双指数模型和一阶指数模型，R2>0.988，拟合效果较好。

关键词 墓葬壁画;地仗层;吸-放湿动力学；壁画病害

中图分类号：X53  DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2023-01-010

Research on the dynamic characteristics of moisture absorption and

desorption of the wall painting plaster of tomb murals

QIU Liping，  ZHANG Xiaofeng

（School of Water and Environmental， Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological

Effects in Arid Region Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， China）

Abstract The dynamic characteristics of moisture absorption and desorption of the ground support layer of the tomb mural were studied. Through the design of the moisture absorption and desorption test， the moisture absorption and desorption process of the simulated ground support test block was monitored and the corresponding dynamic curve of moisture absorption and desorption was drawn. The model was used to fit the dynamic curve of moisture absorption and desorption of the test block. The research results show that the moisture absorption and desorption process of the ground support layer of the tomb mural shows the characteristics of first fast and then slow， and the moisture absorption period and dehumidification period in the early stage of the moisture absorption and desorption process are significantly shorter than the saturation period and stability period in the late stage of the moisture absorption and desorption process. The moisture content of the test block after the moisture absorption and desorption process is higher than the initial moisture content of the test block， that is， some water remains in the ground support layer of the mural. The moisture absorption dynamic curve and moisture release dynamic curve of the simulated plaster test block respectively conform to the double exponential model and the first-order exponential model， R2>0.988， and the fitting effect is good.

Keywords wall painting of tomb murals; plaster; moisture absorption and desorption dynamics; mural disease

壁畫作为一种历史文化的实物载体，具有非常高的艺术、历史及科学研究价值［1-4］，是人类发展进程中十分重要的文化遗存。但由于壁画文物长期暴露于空气环境中，受到环境及人为等因素的影响［5］，遭受到各种病害的侵蚀，其中，酥碱病害便是对壁画破坏性最强的病害之一，是壁画地仗层中水分迁移带动盐分迁移所产生的一种盐分表聚现象［6］，而环境中的水蒸气是导致壁画酥碱病害产生的水分来源之一［7］。墓葬壁画地仗层作为一种非饱和土，当保存环境中的相对湿度发生变化，地仗层会相应进行吸湿和放湿，这会导致地仗层中的盐分向壁画表面迁移［6］，最终使壁画表面产生盐害。因此，研究壁画地仗层的吸-放湿动力学特性，对于研究壁画盐害的形成与发展规律具有重要的意义。

现有的研究成果主要集中在壁画病害的产生机制及发展规律等方面，郭宏等发现空气湿度的高低起伏变化会使得可溶盐在地仗层中富集［8］;张明泉等研究了壁画酥碱病害并提出了“无水则安， 有水则患”的观点［9］;陈港泉等研究发现，当壁画保存环境中的相对湿度到达临界值之后，可溶盐可能会被激活并在壁画表面富集，使壁画产生病害［10］;靳治良等对文物本体中NaCl和Na2SO4的迁移规律进行了研究，发现NaCl的表观迁移速率比Na2SO4更大［11］;谌文武等研究了壁画地仗层的土-水特性，发现环境中湿度的变化会使地仗层的含水率产生比较明显的变化［12］;Kuchitsu等人调查研究发现，混合盐溶液中盐分随水分的运移是使得土质文物出现盐害问题的根源所在［13］。可以看出，当前研究对于壁画地仗层的吸-放湿动力学特性方面的报道还较少。

本文通过设计吸-放湿实验，以模拟地仗试块为对象，对壁画地仗层的吸-放湿动力学特性进行了研究，为壁画病害的防治提供科学依据。

1 实验材料及准备

1.1 实验材料的采集

墓葬壁画的制作一般为就地取材，通常以当地的土、砂、麦秸秆以及植物纤维等作为制作材料［14］。因此，本次实验选取陕西省渭南市蒲城县某墓室附近未扰动土壤、砂样以及当地的麦秸秆和植物纤维作为制作模拟地仗试块的原材料。

1.2 实验材料的处理

1.2.1 脱盐处理

根据GB／T 50123—2019标准对土样脱盐［15］。将采集到的土样经破碎处理后过0.56 mm的筛网，保留筛下样，将蒸馏水和筛下样以水土比5∶1加入样品桶，用搅拌工具沿顺时针搅拌30 min，使土壤样品中的盐分充分溶解。停止搅拌，静置混合溶液直至溶液澄清，以倒虹吸法抽出上清液，抽出溶液后的土样经过滤装置过滤，撇去水分。再次加入蒸馏水反复脱盐3～4次，对土样电导率进行测定，以电导率换算离子含量，当土体内总含盐量不超过0.1％则视为脱盐结束［16］。采用同样的方法对原材料砂、麦秸秆和植物纤维进行脱盐处理，防止原材料中自有的盐分对实验带来干扰。

1.2.2 击实曲线的测定

根据GB／T 50123—2019标准进行击实实验［15］，选择轻型击实仪，通过干土法制备击实土样，然后绘制击实曲线，曲线上的峰值点所对应的横纵坐标即为土样的最佳含水率和最大干密度。4种土样的击实曲线见图1，各土样对应的最佳含水率和最大干密度见表1。

1.2.3 制备模拟地仗试块

为了对比不同加筋材料以及试块内原有盐分对壁画地仗层吸-放湿动力学特性的影响，本次实验共制作了4种模拟地仗试块（脱盐粗泥试块、脱盐细泥试块、未脱盐粗泥试块、未脱盐细泥试块），为了确保实验结果的可靠性，每种模拟地仗试块分别制作了3块样品，并对各试块进行编号。将3块脱盐粗泥试块分别表示为TC-1、 TC-2和TC-3；3块脱盐细泥试块分别表示为TX-1、 TX-2和TX-3；3块未脱盐粗泥试块分别表示为WTC-1、 WTC-2和WTC-3；3块未脱盐细泥试块分别表示为WTX-1、 WTX-2和WTX-3。参照古代壁画地仗层的材质配比来配制模拟地仗试块［17-18］，具体成分配比见表2。

在确保试块的大小不会对实验结果产生影响前提下，选择体积相对较小的试块来开展吸-放湿实验，使试块能够以更短的时间达到湿平衡［19］，故本实验中模拟地仗试块的规格选用Φ50 mm×H50 mm。采用击实曲线得到的最佳含水率及最大干密度参数来制备模拟地仗试块，主要制备过程为［20］：粉碎→过筛→脱盐→烘干→再次粉碎→再次过筛→拌样→焖样→压样→烘干。为模拟地仗试块的吸-放湿过程，得到试块单位面积的吸-放湿动力学曲线及平衡参数，需使用保鲜膜对制备好的地仗试块四周作隔湿处理，随后放入40 ℃烘箱中进行养护，直至试块质量恒定。

2 吸-放湿实验

2.1 实验装置

根据现场调研发现，陕西省渭南市蒲城县某墓室内空气相对湿度为22％～97％，温度约13℃。结合现场实际情况，实验选取温度t为15℃，相对湿度RH为98％和23％的条件下开展吸-放湿实验。实验装置图如图2所示，利用表3中的过饱和盐溶液控制实验的相對湿度环境，并且将保湿器置于LHS-80HC-1型恒温恒湿箱中，通过恒温恒湿箱控制实验的温湿环境。

2.2 实验设计

吸湿实验：将养护后的模拟地仗试块置于图2所示的试验装置内，在RH=98％的湿度环境下进行吸实验。开始时每隔3 h对试块称重1次，共计10次;随后每隔6 h对试块称重1次，共计8次;然后每隔12 h对试块称重1次，共计8次;最后每隔24 h对试块称重1次，直至吸湿达到稳定（连续称取2次试块质量的变化率<10-4 g／h）。记录试块吸湿过程中的质量变化以及达到吸湿平衡所需的时间。

放湿实验：模拟地仗试块在RH=98％的湿度环境中吸湿达到稳定后，迅速将模拟地仗试块转移至RH=23％的湿度环境中进行放湿试验。开始时每隔12 h对试块称重1次，共计8次;随后每隔24 h对试块称重1次，直至放湿达到平衡（连续称取2次试块质量的变化率<10-4 g／h）。记录试块放湿过程中的质量变化以及达到放湿平衡所需的时间。

数据处理：① 参照GB／T 20312—2006标准［19］，计算出模拟地仗试块单位面积的含湿率并绘制吸-放湿动力学曲线。② 对吸-放湿动力学曲线进行拟合，找出适合该曲线的拟合模型。

3 结果与讨论

3.1 吸放湿动力学曲线

以时间和试块单位面积含湿率为横、纵坐标绘制吸-放湿动力学曲线，曲线的斜率大小可以反映出吸、放湿速率的快慢。4种模拟地仗试块单位面积的吸-放湿动力学曲线见图3。

由图3可知，吸湿过程对应曲线前期，斜率较大，吸湿速率较快，在吸湿过程持续100 h左右时出现“拐点”，随后曲线斜率明显减小并缓慢趋近于0，吸湿速率放缓，直至吸湿达到稳定，故可将试块的吸湿过程分为“吸湿期”和“饱和期”［22］2个阶段。放湿过程对应曲线整体变化趋势大致相同，同理，放湿过程可分为“脱湿期”和“稳定期”［21］2个阶段。从整体来看，4种模拟地仗试块的吸-放湿特性是一致的，均呈现“先快后慢”的特征，“吸湿期”时间明显比“饱和期”时间更短，但吸湿量却达到了吸湿平衡时吸湿量的80％左右，放湿过程展现出同样的规律。在吸-放湿稳定后，地仗层的含湿率比起始含湿率更高。

上述特点对于墓葬壁画的保护具有重要的意义。当墓葬壁画外部产生降雨，可能会使墓室内的相对湿度快速增加，此时壁画地仗层迅速吸附空气中的水蒸气。而湿度下降时，被吸附的水分不能全部解吸出来，水分会有部分残留［6］，在适宜的条件下，这些水分会参与到地仗层的水盐迁移过程中，增加盐害发生的几率，不利于墓葬壁画的保存。因此，保持壁画所处环境中湿度的相对稳定，对于壁画的保存至关重要。

模拟地仗试块单位面积的吸-放湿动力学平衡参数见表4。可以看到，各模拟地仗试块经吸-放湿实验后，试块内含湿率由大到小排序为：脱盐粗泥试块>未脱盐粗泥试块>脱盐细泥试块>未脱盐细泥试块。对于加入相同加筋材料的试块而言，脱盐试块的含湿率比未脱盐试块的含湿率更大，可能是因为土体在脱盐处理的过程当中，土体内部原有的结构被破坏，孔隙率增加，增大了土壤与空气中水分子接触的几率，故脱盐试块含湿率高于未脱盐试块。对于具有同样脱盐情况的试块而言，粗泥试块内的加筋材料麦秸秆具有组织结构排列疏松的特点，相较于植物纤维能够更好地吸附、扩散和渗透水蒸气，故粗泥试块的含湿率高于细泥试块。

3.2 墓葬壁画地仗层的吸放湿机理分析

壁画作为土质文物，从根本而言，其物质存在状态为固体，表面性质与液体和气体相近，固体表面非均匀的势场所形成的表面张力会倾向于降低自身表面能。由于固体的表面形态不易改变，只能通过从外界环境中吸附微粒的方式来达到降低自身表面能的目的，故壁画地仗层在相对湿度较高的环境条件下，会出现吸湿现象。固体表面对气体分子的吸附方式按照吸附作用力的不同能够划分成两种，即物理吸附和化学吸附。物理吸附是依靠分子间作用力引发的吸附，结合力不强，过程可逆，容易发生吸附和解吸;化学吸附主要是由化学键力所引发的吸附，吸附過程常常伴随电子的转移、交换以及化学键的断裂、形成，过程不可逆，不易发生吸附和解吸［22］。

墓葬壁画地仗层作为一种非饱和土，主要发生物理吸附，即水蒸气分子被吸附至土粒表面，这一过程为单分子吸附，经过这一吸附过程后的土粒表面会出现一层水膜。土粒内部非均匀的孔隙使得水膜在夹角处变厚，伴随着吸附作用的不断发生，水膜厚度逐渐增加，弯月面在孔隙内部产生，最终将所有孔隙填满，吸附过程向毛细过程转变，这一阶段称为毛细冷凝［23-24］。此后，孔隙内的气态水凝集成为液态水，处于夹角的水分子难以在解吸时脱附出来，致使试块在放湿过程中部分水分会残留在土壤颗粒孔隙内，故放湿过程后试块的含湿率是高于起始含湿率的。

3.3 吸-放湿动力学曲线的拟合

3.3.1 吸湿动力学曲线的拟合

选取多种常见的吸湿动力学模型［25］对吸湿动力学曲线进行线性拟合。利用相关系数（R2）和均方根误差（RMSE）参数对4种模拟地仗试块单位面积的吸-放湿动力学曲线的拟合效果进行检验，结果显示双指数模型的拟合效果最佳。4种模拟地仗试块单位面积的吸湿动力学双指数模型拟合曲线如图4所示。由图4可见，4种模拟地仗试块的吸湿过程与双指数模型相符。相关系数（R2）接近1，均方根误差（RMSE）接近0，曲线的拟合效果良好，试块在吸湿实验中测得的含湿率与预测含湿率相接近。因此，可以使用该模型对实际墓葬壁画地仗层的含湿率进行预测，以便对墓葬壁画盐害的产生和发展过程进行研究，从而达到保护墓葬壁画的目的。

4种模拟地仗试块单位面积的吸湿动力学双指数模型拟合参数如表5所示，由表5可知，4种模拟地仗试块的拟合曲线所对应的相关系数R2在0.995～0.998之间，拟合效果较好。

3.3.2 放湿动力学曲线的拟合

墓葬壁画地仗层作为一种多孔性介质材料，适合此类材料的数学统计模型较多。借鉴不同类别统计模型的形式以及放湿动力学曲线的变化趋势，采用一阶指数函数对放湿动力学曲线进行拟合［26］。含湿率与放湿时间的关系可以表示为

y=A1ext1+y0，（1）

其中：y为试块含湿率（％）；x为时间（h）；A1、t1和y0均为常数。

4种模拟地仗试块的放湿动力学曲线拟合过程利用origin软件完成，4种模拟地仗试块单位面积的放湿动力学一阶指数模型拟合曲线如图5所示。由图可知，4种模拟地仗试块的放湿动力学曲线与一阶指数函数是基本相符的，从拟合曲线与放湿动力学曲线的拟合程度可见，拟合效果较好。表6为4种模拟地仗试块单位面积的放湿动力学一阶指数模型拟合参数。由表6可知，一阶指数模型对于放湿动力学曲线的相关系数R2在0.988～0.994之间，拟合效果良好。

4 结论

通过模拟地仗试块的吸-放湿实验，可以得出，吸湿过程和放湿过程均呈现出“先快后慢”的特征，“吸湿期”约占整个吸湿周期的25％，吸湿量却达到了吸湿平衡时吸湿量的80％左右，说明模拟地仗试块在短时间内吸附了大量的水分，因此，当墓室内空气湿度迅速升高时（如室外降雨，大量游客进入等情况），需及时采取关闭门窗、限制游客数量等措施控制墓室内相对湿度。经吸-放湿实验后，各试块内含湿率由大到小排序为：脱盐粗泥试块>未脱盐粗泥试块>脱盐细泥试块>未脱盐细泥试块。在经历完整的吸-放湿过程之后，试块的含湿率比初始含湿率更大，说明在吸湿过程中吸附的水分不能在放湿过程中完全解吸出来，很大程度上促进盐害的发展。对模拟地仗试块的吸-放湿动力学曲线进行拟合后发现，模拟地仗试块的吸-放湿过程分别与双指数模型和一阶指数模型相符，含湿率预测值与实验值相接近，使用吸-放湿模型对实际墓葬壁画地仗层的含湿率进行预测，及时地了解并掌握地仗层的含湿率，对于壁画盐害的预防和控制以及墓室内湿度的调节具有重要的参考意义。

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（编 辑 李 波）