无损原位检测技术在高湿环境下砂岩文物劣化诱因分析中的应用

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损原位检测技术在高湿环境下砂岩文物劣化诱因分析中的应用
摘要：砂岩文物普遍存在表面粉化、可溶盐富集及微生物侵蚀等劣化现象，以高湿环境中的重庆龙多山石刻为例，石刻表面粉化和酥碱均与水体侵蚀导致的胶结质流失和可溶盐循环结晶有关，而石刻表面生物侵蚀的发生也与岩面水分分布情况有着直接关系。

红外热成像可以快速获取二维平面水分分布图像，尤其在升温过程可以快速无损地完成石刻岩壁渗水点及面流分布规律的探测工作。

而微波测湿技术可以完成不同层面的面扫描水体分布规律研究，支撑对病害分布规律及病害机理的深层次研究，为全面了解砂岩文物的现状以及保护方法研究提供更为精确的指导。

关键词：砂岩质文物；风化；红外热成像；微波测湿；无损原位检测
Abstract：The deterioration of sandstone cultural relics, such as surface weathering, soluble salt enrichment and microbial erosion, is common. Take Mount Longduo Rock Carvings as an example, the surface weathering are related to the water erosion and circulating soluble salt crystallization. Infrared thermal imaging helps to obtain surface water distribution images instantly, especially completing the detection of water seepage point and surface fl ow distribution of stone carvings in the heating process quickly and nondestructively. With the help of microwave moisture measurement technology, water distribution can be scanned at different levels, which supports the deep-level research of disease mechanism, so as to provide support and reference for the conservation of such cultural relics. Both infrared thermal imaging and microwave moisture measurement refl ect certain water content information of sandstone relics. The combined analysis of microwave moisture measurement and infrared thermal imaging can effectively detect the distribution of water, the location of water seepage, the source of water seepage and the law of water activity on the surface and depth of sandstone cultural relics. Infrared thermal imaging can also detect the temperature distribution on the surface of stone relics, and it should be noted that it's necessary to conduct the detection in proper weather to ensure the detection data is accurate. Microwave moisture measurement analysis can be used to study the distribution of water at different heights and depths. Infrared thermal imaging and microwave moisture measurement in situ analysis technology are used for the detection of water, hidden cracks, seepage points and other conditions of sandstone cultural relics. Compared with the traditional visual observation, their advantages of being effi cient, accurate, non-destructive and non-contact are defi nite. Instant information feedback provides a basis for real-time decision-making. The application of infrared thermal imaging and microwave moisture measurement is worth promoting in the investigation of sandstone cultural relics.
Key Words：Sandstone cultural relics, Weathering, Infrared thermal imaging, Microwave moisture measurement, Nondestructive in-situ testing
何　静（陕西科技大学文物保护科学与技术学院）周伟强（西北大学文化遗产学院）朱建锋（陕西科技大学文物保护科学与技术学院）刘　智（重庆市合川区文化和旅游发展委员会）李小勇（重庆市合川区文物管理所）
无损原位检测技术在高湿环境下砂岩文物
劣化诱因分析中的应用
南方尤其是川渝地区有大量砂岩石质文物，
如大足石刻、钓鱼城古遗址及龙多山石刻等，这
些户外保存的大型石质文物普遍存在由于胶结质
流失和水体侵蚀导致的表面酥碱粉化、微生物侵
图一　龙多山摩崖题刻节选
1.张夫人梦佛记（1173年）、奉和冯使君诗（1159年）、龙多山录（1164年）等
2.千佛龛（864年）
3.姚文孺、张信甫诗（1180年）
图二　龙多山石刻典型病害
1.表面粉化
2.鳞片状剥落
3.生物腐蚀
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图三　龙多山石刻岩石薄片鉴定
1.新鲜岩石［（钙质、铁质）胶结细砂岩　单偏光（1-石英，2-斜长石，3-岩屑，4-铁氧化物，5-碳酸盐矿物）］
2.风化岩石［（钙质、铁质）胶结细砂岩　正交偏光（1-石英，2-斜长石，3-白云母，4-岩屑，5-碳酸盐矿物，6-铁氧化物）］
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CaCO 3+ H 2O+ CO 2= Ca（HCO 3）2
CaCO 3+H 2SO 4+H 2O=CaSO 4·2H 2O（石膏）+CO 2↑
正是因为钙质胶结物流失，长期发育导致微裂隙不断扩大，致使岩石最终粉化剥落。

同时龙多山石刻风化层样品中检出硫酸钙（石膏）和大量可溶盐（表四、图五）。

根据奥地利技术规范B3355-1重要历史构件及重要文物盐含量评价指标（Trockenlegung von feuchtem Mauerwerk-Teil 1: Bauwerksdianostik und Planungsgrundlagen ）来看，所含可溶盐类型主要为硫酸盐，可溶盐危害属于严重程度［7］。

风化层中大量硫酸盐的检出和大气污染与酸性降雨有关。

表三　龙多山石刻岩石硬度测量
样品描述测量1测量2测量3测量4测量5测量6平均硬度空鼓部位岩石176133171144163160158风化岩石378351381366408348372新鲜岩石
413
408
420
437
414
440
422
样品描述Cl
-
NO
3-
SO 4
2-
Na
+
K
+
Mg
2+
Ca
2+
总盐量风化样品0.02 0.10 12.88 0.11 0.05 0.02 4.01 17.19 新鲜样品
0.01
0.02
0.41
0.03
0.01
0.02
0.29
0.79
表四　龙多山石刻岩石表面含盐量分析（%）
图四　龙多山石刻岩石X RD 图谱
1.风化岩石
2.新鲜岩石图五　龙多山石刻风化层盐含量评价图
图六　龙多山石刻岩石表面微生物显微照片
1.地衣
2.菌类
3.苔藓
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类病害主要表现为在温差作用及重力作用下呈层片状剥落，剥落形态及层片厚度有差异性，剥落层从2～25mm不等，剥落严重部位伴随较大程度空鼓，严重影响石刻稳定性（图一一）。

该类病害的产生与夏季阳光直射和南方地区短时强降雨双重作用导致的剧烈温差，以及长期的水体侵蚀导致的胶结质流失和微裂隙有着直接关系。

三　现场水体分布的探查技术研究
从现场调查、文献检索可知南方砂岩文物病害无论是表面粉化、表层剥离、空鼓及微生物侵蚀均与水体侵蚀有着直接关系。

而既往现场保护研究
过程中很难完成对表面水分分布尤其是表层不同深度水分分布或运移情况的探查工作。

为此在本文研究过程中特别引入红外热成像和微波测湿仪器，以完成户外砂岩多孔隙文物表面水分分布及内层不同深度水分分布和运移规律的现场迅速探查，以期全面诠释病害分布规律及诱发因子。

（一）红外热成像表面水分平面分布探测 既往调查中一般采用肉眼观察评估石刻可见的裂隙、渗水点、分层等信息，但详细程度较低。

红外热成像是利用红外辐射原理，将被测物体表面温度分布情况转化为直观的热像图像，具有无接触远程大面积检测、无损伤、响应快、
图一〇　扫描电镜观察风化样品生物体、微裂隙、孔洞、断层等
图九　石刻表面干枯苔藓薄层覆盖及扫描电镜-能谱分析
图七　龙多山石刻岩石生物溶蚀现象图八　生物风化样品超景深显微镜下截面（200×）
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图一一　龙多山石刻岩石片状剥落现状及测量
高精度等优点［10］。

这种方法适用于极端温度，其温度误差可小至0.08℃。

国外早在20世纪60年代就对红外热成像技术展开了广泛的研究［11］。

同时，红外热成像技术不仅用于工业检测与设备维护领域，在防火、夜视以及安防领域也有广泛应用。

M.R . Clark ［12］等学者介绍了红外测温技术在混凝土和砌体桥梁无损检测中的应用。

而在文物保护领域中，M.R . Valluzzi ［13］等学者采用红外热成像等无损检测技术对威尼斯已改造的历图一二　红外热成像分析结果
上午，岩石处于升温过程，从红外热成像观察图谱可以看出，龙多山题刻普遍存在雨水侵蚀现象，在雨水冲淋部位砂岩含水率普遍偏高，且低等生物生长繁密，导致该区域红外热成像呈现出蓝色低温区域。

而在非雨水冲淋区域尤其是雨水冲淋区域周边极易出现层片状开裂与脱落，红外热成像图像呈高温红色。

红外热成像显示出雨水流挂区域周边的异常红色，阐释了砂岩题刻空鼓和层片状脱落的产生与周边环境温度的波动有
息仅限于表面。

而微波测湿是根据复介电常数的
大小来确定样品中含水量的高低，材料中的水分
子在微波场作用下产生旋转极化现象，从而消耗
微波能量。

这一方法具有快速、连续、非接触、
响应快、可测范围广等优点
范围为0.001～90%。

微波测湿法可以多层面完成
图一三　微波测湿分析结果118
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损原位检测技术在高湿环境下砂岩文物劣化诱因分析中的应用
钙质胶结和软弱泥质夹杂在水体侵蚀的作用下，尤其是降雨和岩面渗流的作用下，发生流失，导致表面粉化现象发生。

不同位置矿物组成及构造特征具有差异性，风化产物中石英、方解石增加，长石及黏土矿物减少，新生成石膏。

而水解溶蚀加上大气污染加剧了表面可溶盐循环结晶和表面盐析现象。

（2）降雨及高温导致生物侵蚀现象普遍存在。

南方高湿环境下砂岩石刻表面多存在生物侵蚀，有地衣、苔藓等覆盖的岩石Si、Al元素含量明显降低，形成不规则溶蚀孔，生物菌丝体深入到岩石内部，进一步导致岩石发生开裂、剥落等。

而微生物侵蚀部位，红外及微波测湿均显示出表面高湿现象，说明生物侵蚀的存在与漂雨尤其是面流水有着直接关系。

（3）温湿度波动和短时强降雨易诱发表面层片状剥落现象的发生。

鱼鳞状起翘和沿着非节理方向表层片状脱落与温差和雨水直接冲淋有着直接关系。

微波测湿结果显示存在粉化的表层湿度明显高于内层，湿度分布与降雨或表面面流有着直接关系。

可以说水体侵蚀是诱发南方砂岩石质文物病害的核心因素。

综合视觉、微波测湿及红外热成像无损原位检测几种方式，可以完成不同层面的面扫描水体分布规律研究，支撑病害分布规律及病害机理的深层次研究，继而为全面了解砂岩文物的现状以及保护方法研究提供更为精确的指导。

在水分探测方面，红外热成像非常容易获取二维平面水分分布图像，尤其是在升温过程中可以快速无损完成石刻岩壁渗漏出水点及其面流分布规律的快速探测工作。

而对于不同高度与不同深度的石刻表层水分分布及其运移规律探测，可以借助微波测湿设备获取更为可信的数据信息。

五　结论
户外大型石质文物表面酥粉、剥落、生物病害等的发生与水分分布有直接关系，多发生在水体集中区域，尤其与漂雨及面流相关。

户外大型石质文物水分含量及分布规律探测非常重要。

红外热成像仪及微波测湿仪均能反映一定的
砂岩含水量信息，将微波测湿与红外热成像无损原位结合分析可以有效探测砂岩文物表面及深处水体分布、渗水部位、渗水来源及水分活动规律等情况。

红外热成像可探测石质文物表面温度分布情况，应注意探测时需在适宜的天气情况下进行，以确保探测数据更准确。

微波测湿分析可多层面完成不同高度不同深度的水体分布规律研究。

红外热成像及微波测湿原位检测技术用于探测砂岩文物的水分、隐藏裂隙、渗水点等状况较传统肉眼观察更有优势，同时具有快速、准确、无损、无接触等优点，即时反馈的信息为实时决策提供依据，值得在砂岩文物勘察中推广。

注释：
［1］a.赵芳琴：《材料表征技术在砂岩文物风化研究
中的应用》，硕士学位论文，哈尔滨工业大学，2010年；
b.冯楠：《潮湿环境下砖石类文物风化机理与保
护方法研究》，博士学位论文，吉林大学，2011年；
c.李宏松：《文物岩石材料劣化特征及评价方
法》，博士学位论文，中国地质大学（北京），2011年；
d.梁行洲：《大足石刻砂岩材料风化程度量化评
估》，硕士学位论文，兰州大学，2017年。

［2］a.西华师范大学历史文化学院、重庆市合川区文物
管理所：《重庆龙多山石窟调查简报》，中国古迹遗址保护协会石窟专业委员会、龙门石窟研究院编：《石窟寺研究》第五辑，第1～42页，文物出版社，2014年；
b.符永利：《重庆龙多山田湾3号龛的造像题材与
年代》，《敦煌研究》2015年第4期；
c.罗洪彬：《重庆市合川区龙多山摩崖石刻研
究》，硕士学位论文，西华师范大学，2015年。

［3］中国地质大学（武汉）、文化遗产和岩土文物保护
工程中心：《重庆市合川龙多山文物保护工程勘察报告》，内部资料，2017年。

［4］郭渠等：《重庆地区短历时强降水气候特征》，
《干旱气象》
［5］Makoto Matsuzawa, Masahiro Chigira, Weathering mechanism of arenite sandstone with sparse calcite
cement content,
［6］翁履谦等：《云冈石窟砂岩微观风化特征研究》，《材料导报》。