摘要:

鹽結晶病害是砂巖質文物中最為常見的病害之一，可溶鹽溶液在砂巖內部的毛細運移直接影響著文物保存的完整性。為了進一步了解不同因素影響下砂巖質文物內部中毛細水運移特征，以大足石刻砂巖材料為研究對象，自主設計了毛細吸水試驗及微電極電阻率測試裝置，定量分析孔隙結構、孔隙溶液、干濕循環及相對濕度對毛細運移和電阻率分布特征的影響。結果表明，松散的孔隙結構及較低的相對濕度對毛細運移有促進作用。毛細運移受可溶鹽溶液表面張力影響明顯，吸水量和運移速率隨表面張力增加呈遞增趨勢。干濕循環作用導致內部孔隙擴張使毛細遷移速率加快，同時呈現出試樣飽和度和砂巖電阻率的負相關性。可溶鹽的存在極大降低了砂巖的電阻率，通過電阻率的時空分布特征，識別濕潤鋒的視電阻率范圍與試樣表層鹽結晶劣化區域大致重合，整體趨勢沿深度方向呈凹曲面變化。研究結果揭示了砂巖質文物內部毛細水運移規律，可為合理追蹤鹽害范圍提供理論支撐。

引言

石質文物中有三分之二屬于砂巖等多孔材料，其孔隙結構為水分的滲入和擴散提供了必要通道，同時給予可溶鹽運移和相變的空間。在現存的石質文物中，最看重的是其表面細節的藝術與文化價值，而可溶鹽運移往往誘發了石質文物表面的大面積損毀。在自然環境中，裂隙水及可溶鹽在重力和毛細力共同作用下進入砂巖內部，與可溶性礦物發生各類反應，并在干濕循環作用下發生結晶相變，對砂巖質文物的微觀結構造成損傷。大足石刻長時間監測的結果表明，鹽結晶在石刻表面距離地面一定高度形成帶狀分布，使石刻表面產生了明顯的粉化和泥化現象。因此，分析可溶鹽運移對砂巖劣化機理以及影響因素，并探究可以表征可溶鹽在砂巖內部運移相變過程的方法是揭示砂巖質文物鹽害機理的關鍵。

關于巖土體內可溶鹽作用的研究，主要集中于定性分析以及物理化學過程中的定量表征，重點考慮了鹽類性質、干濕循環、外部環境等因素對水鹽運動規律的影響。Zhang et al.在追蹤土體內水鹽運移的過程中，將傳統的耦合模型引入了溶質守恒方程，提出了水-熱-鹽-力耦合的數學模型，更加合理地解釋了巖土體中溫度、含水量和鹽分的分布特征。D'Altri et al.測試了水鹽運動中鹽溶液濃度和相對濕度的影響，從而建立了評估鹽結晶分布的理論模型。為了拓展理論模型的應用范圍，現有研究從多方面展開對水鹽運移的定量化描述。張虎元等研究了鹽溶液在石質文物中的水鹽遷移機制，從微觀角度解釋了鹽害現象與表面蒸發速率的相關性。Sato et al.對砂巖進行了鹽結晶風化的循環試驗，表明濕度變化對不同鹽環境下砂巖物理力學性能的不利影響。黃繼忠等基于對云岡石窟風化病害的調查，總結出砂巖中水汽遷移的擴散特性，并發現過渡型水汽擴散中水汽凝結與鹽析過程與季節性相關。現有的水鹽運移研究表明：可溶鹽在巖體內的運移通常以水為介質，鹽類晶體造成巖石表面風化破壞的形成與水的活動更是密不可分，但是基于毛細作用下砂巖內部可溶鹽的定量分析，目前相關研究較少。

對于砂巖質文物的勘察方法和檢測技術，若采用傳統的力學試驗易造成文物本體的擾動，破壞其完整性。因此，通過無損技術研究砂巖質文物內部可溶鹽運移機理是有效的檢測手段。對于砂巖等多孔介質材料，可溶鹽溶液的滲透會導致局部結構和孔隙特征發生變化，基于該特性變化的觀測研究提高了定量分析的可靠性。李宏松采用X射線衍射和掃描電鏡等測試方法采集砂巖表層的微觀結構特征，發現內部的層狀結構和膨脹性礦物成分是砂巖類文物產生空鼓的主要原因。為了不局限于巖土體表面特征的研究，更多的無損技術被應用于巖石內部動態信息的提取。Mol et al基于微電極的響應特征，在毛細上升和干濕循環試驗中揭示了時空變化下砂巖塊中復雜的水分運移情況。張景科等通過現場聲波測試反映莫高窟圍巖的風化情況和空間差異性，進而為崖體加固提供理論依據。Scrivano et al.運用超聲波速法研究了砂巖內部結構對其抗風化能力的影響，表明鹽風化過程誘發了微裂紋形成、物質溶解和二次沉淀。楊海平等采用電阻率法動態監測砂巖裂隙含水層，并將破壞的程度和形態進行有效區分。因此，對不可移動的砂巖質文物進行評估時，需要設計一種可以快速、無損獲取砂巖質文物內部動態信息的方法。目前，電測法在檢測巖土體含水量方面有良好的應用前景，而通過砂巖內部電阻率變化來表征毛細水運移的研究成果相對有限。

本文以砂巖質文物為研究對象，通過自主研發的毛細吸水和微電極測試裝置進行毛細水運移試驗，從時間和空間維度分析了孔隙結構、孔隙溶液種類、干濕循環次數及環境相對濕度對毛細水運移和電阻率分布的影響，進而總結了砂巖電阻率與毛細吸水量之間的對應關系。同時，試驗結果也為后續制定相應的文物保護措施提供可借鑒的基礎性資料。