大河村房基遗址可溶盐与含水率的相关性研究

2024-04-15李洪涛郝利民刘伟胡继忠

河南科技 2024年4期

李洪涛郝利民刘伟胡继忠

摘要：【目的】通過分析红烧土中可溶盐与含水率的相关性，找出引起大河村遗址房基红烧土表层病害原因。【方法】采用称重法、原子吸收光谱仪、滴定法检测样品的含水率、阳离子、阴离子含量，通过变异系数分析得到房基红烧土不同部位的可溶盐组分及含水率的差异性，通过Pearson相关性分析，得到可溶盐组分与含水率存在的相关性。【结果】研究表明：①红烧土不同位置含水率差异显著，含水率最低值为1.98%，最高值为5.86%，最高值为最低值的2.96倍，变异系数为24.12%；②红烧土不同位置可溶盐含量差异显著，可溶盐各组分的差异性由大到小依次为：Cl-[>]SO42-[>]CO32-[>]Mg2+[>]Ca2+[>]Na+[>]K+；③不同位置样品的含水率与Cl-和K+含量显著相关，大河村遗址红烧土的含水率会随着Cl-和K+含量增加而升高。【结论】房基遗址的高可溶盐含量是引起表层病害的主要因素。

关键词：大河村遗址；红烧土；可溶盐；含水率；变异系数；相关性

中图分类号：K878 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）04-0088-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.016

Study on the Correlation Between Soluble Salt and Water Content in the Building Foundation Site of Dahe Village

LI Hongtao1 HAO Limin1 LIU Wei1 HU Jizhong2

（1.Institute of Geography， Henan Academy of Sciences， Zhengzhou 450052， China; 2.Zhengzhou Dahe Village Museum， Zhengzhou 450052， China）

Abstract：[Purposes] This paper analyzes the correlation between soluble salt and water content in the burnt soil， and finds out the cause of the surface disease of the burnt soil of the house foundation. [Methods] The moisture content， cation and anion content of the sample were measured using weighing method， atomic absorption spectrometer， and titration method. The differences in soluble salt components and moisture content in different parts of the red burnt soil on the building foundation were obtained through coefficient of variation analysis. The correlation between soluble salt components and moisture content was obtained through Pearson correlation analysis. [Findings] Research shows that： ① There are significant differences in moisture content in different positions of braised soil， with the lowest moisture content being 1.98%， the highest moisture content being 5.86%， the highest moisture content being 2.96 times the lowest value， and the coefficient of variation being 24.12%; ② There is a significant difference in the soluble salt content in different positions of braised soil， and the differences in the components of soluble salt from large to small are as follows： Cl->SO42->CO32->Mg2+>Ca2+>Na+>K+; ③ The moisture content of samples at different locations is significantly correlated with the Cl - and K+content， and the moisture content of the braised soil at the site will increase with the increase of Cl - and K+content. [Conclusions] The high soluble salt content in the foundation site is the main factor causing surface diseases of the site.

Keywords： Dahe Village site; braised soil; solublesalt; watercontent; coefficientofvariation; correlation

0 引言

大河村遗址位于河南省郑州市，地处华北平原西南部的边缘地带，横跨我国第二级和第三级地貌台阶，区域性差异明显。大河村遗址是我国20世纪70年代最重要的考古发现之一，其中大河村房基是我国迄今为止发现的保存最完好的史前居住基址。大河村房基是一组多间相连的长方形房屋建筑群，总面积约600 m2，系典型的“木骨整塑”陶房建筑形式，其格局奠定了中国北方传统民居建筑的基本形制［1-2］。房基遗址发掘后，红烧土墙体出现泛白、酥碱粉化、墙体开裂等现象，严重者红烧土墙体发生垮塌、脱落等。加强遗址现状勘察和病害分析对于大河村房基遗址和同类土遗址的研究和保护都具有重要意义。

可溶盐对土颗粒的团聚有黏结作用，但其运移和结晶是造成土遗址风化的重要因素之一。可溶盐在土遗址表面析出形成堆积，进一步形成硬壳状，造成遗址的泛白现象，频繁的吸水—脱水产生膨胀—收缩破坏作用，逐渐造成遗址出现裂隙、土质酥粉等病害，甚至造成遗址下部酥粉塌落及表面粉化、脱落和结垢等病害的发生［3-6 ］。黏性土的含水率对其力学强度影响较大，含水率增大，力学强度降低；反之，力学强度升高［7-9］。目前有关土遗址可溶盐与含水率的相关性研究相对较少，总体处于初始阶段，大部分研究都是在室内模拟完成的，且多在开放式环境条件下进行［5］。本研究检测分析了保存在室内环境中的大河村房基遗址不同位置的可溶盐、可溶盐组分及含水率等因素，并对它们之间的相关性进行研究。

1 分析测试方法

1.1 含水率

含水率的测定采用称重法（Gravimetric）。用万分之一精度的天平秤取样品的重量，记作样品的湿重M；将称量好的样品放入烘箱105 ℃烘8～12 h至恒重，称量烘干后的样品重量，记作样品干重Ms。含水率计算公式见式（1）。

含水率（%）=（样品湿重-样品干重）/样品干重×100 （1）

1.2 阳离子含量

取通过1 mm筛孔的风干样品2 g（精确到0.001 g），加入10 mL去CO2蒸馏水振荡均匀，高速离心去除部分不溶物，再将上清液用慢速滤纸过滤。使用原子吸收光谱仪测定阳离子含量。

1.3 阴离子含量

取通过1 mm筛孔的风干样品10 g（精确到0.001 g），加入50 mL去CO2蒸馏水振荡均匀，高速离心去除部分不溶物，再将上清液用慢速滤纸过滤。使用滴定法测定阴离子含量［10］。

2 结果与分析

2.1 样品采集

首先，对所有的房基遗址做了表相观察分析，结合发掘报告，对房基遗址的病害进行初步的分类和评估。其次，参照文物采样的基本原则对房基的5个部位进行采样分析。采样部位见平面、立剖面分布示意如图1所示，采集样品见样品说明见表1。

2.2 检测结果与分析

2.2.1 检测结果。5个样品的含水率及多种阴离子、阳离子的含量测试结果见表2。由表2可知，房基遗址可溶盐总含量平均值为10 254.13 mg/kg，所测样品可溶性阴离子的平均含量为6 253.78 mg/kg，所测样品可溶性阳离子的平均含量为4 000.35 mg/kg；房基遗址中Ca2+含量最高，平均值为2 516.7 mg/kg，约是其他阳离子总和的1.7倍。

2.2.2 數据分析。检测结果采用Excel2010和SPSS13.0数据处理软件进行数据分析，分析结果见表3、表4。

2.2.2.1 变异系数分析。变异系数分析见表3。由表3可知，不同样品含水率差异较大。5个样品中，含水率最低值为1.98%，最高值为5.86%，最高值为最低值的2.96倍，变异系数为24.12%；不同样品可溶盐的组分及总含量差异显著，5个样品可溶盐各组分的差异性（变异系数）由大到小依次为：Cl-> SO42->CO32-[>]Mg2+>Ca2+>Na+>K+；阴离子的差异性均高于阳离子；差异最大的Cl-含量最低值为526.71 mg/kg，最高值为5 112 mg/kg，最高值为最低值的9.71倍，变异系数为32.36%；差异最小的是K+含量，最高值为最低值的1.59倍，变异系数为8.35%；5个样品中，可溶盐最低值为7161.25 mg/kg，最高值为13 389.12 mg/kg，最高值为最低值的1.87倍，变异系数为12.05%。

2.2.2.2 相关性分析。相关性分析见表4。由表4可知，房基遗址不同位置的含水率与Cl-和K+含量具有相关性，不同位置的Cl-和K+含量高会导致含水率升高；房基遗址的K+与Cl-和Na+含量具有相关性，不同K+含量的样品其Cl-和Na+含量差异显著。

3 结论

房基遗址不同部位样品含水率差异较大，含水率最低值为1.98%，最高值为5.86%，最高值为最低值的2.96倍，变异系数为24.12%。不同位置样品的含水率与Cl-和K+含量具有相关性（0.05 水平（双侧）上显著相关），遗址红烧土的含水率会随着Cl-和K+含量增加而升高。

房基遗址不同位置可溶盐的组分及总含量差异显著，可溶盐总含量最高为13 389.12 mg/kg，最低为7 161.25 mg/kg，最高值为最低值的1.87倍，变异系数为12.05%；5个样品可溶盐各组分的差异性（变异系数）由大到小依次为：Cl->SO42->CO32->Mg2+>Ca2+> Na+>K+，其中Cl-最高值为最低值的9.71倍，变异系数为32.36%。

不同位置样品的含水率与Cl-和K+含量具有相关性（0.05水平（双侧）上显著相关），房基遗址红烧土的含水率会随着Cl-和K+含量增加而升高。

4 讨论

4.1 可溶盐与含水率的内在关联

房基遗址中的Cl-、Ca2+ 、Mg2+含量较高，可溶盐中的氯化物应以CaCl2、MgCl2为主，CaCl2、MgCl2具有吸湿性强，暴露于空气中易潮解的特性。同样环境下，房基遗址中Cl-含量高的部位吸湿性更强，必然导致该部位的含水率高，使其含水率与Cl-含量呈现正相关性。房基遗址的K+和Na+含量具有较强的正相关性，这可能是遗址中可溶盐主要来源于毛细水的重要例证。

4.2 影响可溶盐含量的因素

大河村房基遗址红烧土的主要矿物组成是由石英与长石组成，烧成温度应在900 ℃以上［11］。遗址土在过火过程中组成物质发生了很大变化：有机胶结物质完全损失，无机的胶结物部分损失，材料的弹性消失，刚性增加，土颗粒空隙增大等［12］。红烧土中胶结物质的减少在一定程度上提高了可溶盐的析出，土颗粒空隙增大提升了房基遗址的毛细输水能力，加之大河村遗址紧邻大运河南岸地下水位较浅和遗址保护房风洞效应等因素，导致可溶盐通过地下水转移、富集到地面以上的房基遗址中。

4.3 可溶盐抑制保护技术

文物遗址的防盐、去盐方法可分为物理和化学两大类［13］。物理法减轻盐类病害一是利用某些脱盐材料将可溶盐与水分一同脱离出来，敦煌研究所曾和美方专家合作发明了一种脱盐材料，这种材料可以在运用灌浆技术后，将可溶盐和水分脱出。二是通过表面吸附材料将可溶盐和水分吸附脱离，如高强度吸水纸配合软海绵等。但是此类方法很难将盐分完全脱出，反而会打破土壤中盐分平衡规律，造成遗址进一步被破坏。化学法减轻盐类病害是利用渗透性和胶黏性较强的物质，有效地切断水分的迁移路径，从而使盐析现象得以抑制。三是在遗址表面喷涂有机硅防水涂料形成保护膜，基层中即使有可溶盐，也无法渗透到砖表面达到抑制的作用。此类方法的优点是对砖石建筑类文物能起到较好的抑盐作用，缺点是盐分在遗址表层有机硅膜内侧形成堆积，易造成遗址表层的龟裂，进一步造成表面层的脱落。

盐晶体的生长是由溶液的过饱和度和结晶的位置所决定的。当前，土遗址盐析抑制剂研制的基本思路是延迟成核和修改本体溶液中晶体生长速率。

4.4 含水率变化对土遗址稳定性的影响

土遗址中的水分为结合水、毛细水、重力水3种。结合水将土颗粒连接在一起，使之具有黏滞性、弹性和抗剪强度；毛细水由于弯液面力（或称毛细力），使土体具有内聚力，但内聚力较小；重力水没有抗剪强度，受剪切时，即发生流动。黏性土含水率增大，结合水膜厚度增大，土颗粒之间的距离增大，内聚力和内摩擦角减小，从而土体的抗压和抗剪强度都降低［14］。叱干晓敏［15］研究得出含水率对黄土结构强度的影响：含水率变化对安全系数影响显著，且明显强于地震荷载作用；随着含水率增加，安全系数变化速率均表现为逐渐减小；同一含水率情况下，削减坡高比减小坡度更有效。大河村房基遗址红烧土无法通过削坡措施提高其稳定性，因此如何降低遗址的含水率是提高安全系数的有效途径。

刘平等［16］通过测定交河故城和高昌古城样品的收缩特征曲线得出：土样的体积收缩率与土中黏粒含量和黏土矿物类型有关，随着砂粒含量的增大，土的体积收缩将受到很大抑制；土样的缩限、液限和塑限之间存在一定的相关性，缩限均随液塑限的降低而减小，并且土的缩限与塑限相接近。

师智勇等［17］研究结果表明高于一定温度的红烧土，水已经不能使其崩解，那么造成破坏的就是冻融和盐结晶。冻融和盐结晶的过程中，过火的土刚性强，无法抵抗压力，出现脆性的破坏，而且由于没有有机质，比表面积小，因此红烧土的酥粉、崩塌、空鼓等病害是不可逆的，如果不及时采用恰当的治理措施，将会给遗址保护带来永久的危害。

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