致谢 在本报告完成之际,我要向我的导师张秉坚教授致以最衷心的感谢和最崇 高的敬意!本报告的工作是在张秉坚老师和张晖的悉心指导下完成的。两位张老 师都有严谨的学术态度、精益求精的工作态度、敏锐的洞察力、渊博的学识、创 新的科研思维,这些都让我深深的折服。他们的教诲使我受益匪浅。 在攻读硕士学位的两年时间内,张老师不仅为我提供了优良的科研条件与学 习环境,还引导我参与了国家重点基础研究发展计划(973计划),使我的科学 思维与试验能力得到极大的锻炼。在参与试验期间,我完成了报告《典型环氧类 粘结材料老化过程的探索性研究》。 真诚感谢方世强师兄,在我遇到疑惑时无私的提供了指引和帮助。真诚感谢 贺翔师兄、李强师兄、杜维莎师姐、贾成思师姐、刘璐瑶师姐、张翠松师兄,虽 然我们的研究方向不一致,但从他们身上我学到了其他方向的知识,他们的研究 的指导拓展了我的学术视野。感谢跨湖桥的吴健馆长、楼卫书记、我的师弟俞剑 清和学姐俞博雅,有了他们的帮助我才可以顺利的在博物馆进行现场实验。感谢 我的同学贺章和周康,在我组建试验设备时提供了帮助。 衷心感谢我的男朋友高横溢,在构建数学模型和生活上提供了极大的帮助, 和他的交流和探讨使我可以更加专注并愉快的进行研究工作。 由衷的感谢我的父母、我的辅导员段园园老师和其他同学朋友对我的关心和 帮助,没有他们的支持,我也不能顺利的完成硕士学业 最后感谢所有为评阅这篇报告付出宝贵时间和辛勤劳动的老师们! I浙江大学 摘要 摘要 在遗址博物馆环境中的土遗址产生病害的基本原因是水分不断从土体向上 迁移和蒸发,由此引发可溶盐的向外迁移、表层土粉化、土体开裂等一系列病害。 文物保护工作者已尝试使用多种方法洽理该病害,但不能改变水分单向迁移的状 态。因此,急需探索出一种有效、温和、没有二次破坏的防风化保护措施,来有 效的治理土遗址由于剧烈失水造成的病害。本研究利用人工“气-液相变补水”的 原理,以杭州跨湖桥遗址为研究对象,进行了一系列研究工作,包括:对土遗址 病害的调查、分析遗址博物馆环境监测数据、进行试验室内气-液相变补水小试 验、建立水汽冷凝速率方程、开展室内土遗址现场补水试验等。初步探索了各种 控制条件对补水速率的影响,验证了气-液相变补水的可行性与效果,为未来更 大规模试验提供了基本方法和基础资料。为治理土遗址风化问题提供了一种全新 的思路,具有较高的创新性,对于博物馆环境下土遗址的保护具有重要的意义。 试验结果表明导致土遗址产生盐析与粉化病害的原因是剧烈失水。根据水的 “相变”原理,通过控制空气湿度、空气温度与土壤表面温度差,对室内土遗址以 气-液相变方式进行补水是可行的,可以短时间内完全润湿土壤表层。通过对试 验的结果进行归纳关联,得到以空气湿度、空气和土壤之间的温差、土壤含盐量 为变量的水汽冷凝速率方程。在遗址博物馆内进行的现场实验表明,本试验中的 设备可以实现“气-液相变补水”的目标,使土壤表面的盐结晶在12小时内溶解并 下渗。水汽冷凝速率方程预测值与土遗址现场局部试验补水量基本吻合,该方程 可为跨湖桥遗址、以及同类土壤遗址提供“气-液相变补水”的补水量预测数据。 关鍵词:土遗址;相变;补水;跨湖桥;盐碱;粉化 II浙江大学 ABSTRACT ABSTRACT Thebasicreasonsfordiseaseofsiteslocatedinmuseumsarecontinuous migrationandevaporationofwater.Diseasessuchasoutwardmigrationofsoluble salt,surfacepulverizationandcrackingareproduced.Theresearchershavetriedmany methodstocontrolthem,butcan’tchangewater’sone-waymigration.So,it’surgent toexploreaneffective,mild,nondestructivewaytoeffectivelycontrolthediseases causedbyseverewaterloss.Inthisstudy,aseriesofresearchworkwascarriedouton thebasisofthe‘gas-liquidphasechangereplenishment’principleandKuahuqiaosite, includinginvestingdiseases,analyzingtheenvironmentaldata,doinggas-liquidphase changereplenishmenttestsinthelaboratory,buildingacondensationrateequation, carryingoutsoilwaterreplenishmentexperiments.Theeffectsofvariousconditions ontherateofwatersupplywereexplored,andthefeasibilityandeffectofgas-liquid phasechangewaterreplenishmentwereverified.Itprovidesbasicmethodsanddata forthelarge-scaleexperimentinthefuture.Thispaperprovidesanewwaytosolve theproblemofsoilsiteweathering,whichisofgreatinnovationandsignificancefor theprotectionofearthensitesinthemuseum. Theresultsshowthatthecauseofsoilerosionandpulverizationiswaterloss. Accordingtotheprinciple,itisfeasibletomakeuseofair-liquidphasechangemode tosupplywatertoearthensitesbycontrollingtheairhumidity,temperatureandsoil surfacetemperaturedifference.Thesoilsurfacecanbecompletelywettedinashort time.Basedontheresultsofindoorexperiments,watervaporcondensationrate equationisobtained,whichisbasedonthedifferenceofairhumidity,airtemperature andsoilwatercontent.Thefieldexperimentsshowthattheequipmentcanachievethe goal,whichmakessaltcrystallizationdissolveandinfiltratein12hours.Theresults ofequationandexperimentarebasicallythesame.Theequationcanbeusedto predictthedataofwatersupplyfortheKuahuqiaositeandsimilarsites. Keywords:earthensite;phasechange;watersupply;Kuahuqiaosite;salinealkali; pulverization in浙江大学 §＊ _ 目录 _I M^H ABSTRACTIll IV 1引言1 1.1选题背景与研究意义 1 1.1.1选题背景 1 1.1.2研究意义 3 1.2国内外研究现状 4 1.2.1传统化学加固法已经发展的较为成熟 4 1.2.2从土壤水分和盐分运移角度进行的防风化保护研究还在探索阶段..5 1.2.3从脱盐角度进行的防风化研究尚未投入大规模应用 5 1.3相变补水的概念和难点 6 1.3.1相变补水的概念 6 1.3.2相变补水解决土遗址风化的难点 6 1.4研究内容和研究思路 8 1.4.1研究内容 8 1.4.2研究思路 9 2跨湖桥遗址的保存环境和病害调研 10 2.1遗址博物馆概况 10 2.2跨湖桥遗址的保护历史 11 2.2.1遗址整体的化学加固 11 2.2.2遗址局部区域的电化学加固 12 2.3跨湖桥遗址的水文地质条件 12 2.3.1遗址地下水类型 12 2.3.2遗址地下水化学特征 12 2.3.3遗址区土体透水性 12 2.4遗址病害调研 12 IV浙江大学 2.5遗址厅全年温湿度数据汇总分析 14 2.6遗址粉化和返碱病害机理分析 18 3模拟土壤冷凝水试验 19 3.1概述 19 3.2设备的设计与制作 20 3.2.1试验原理: 20 3.2.2自制冷凝系统的制作 21 3.3样品的准备 22 3.3.1遗址土全盐量的测定 22 3.3.2遗址土中盐结晶的元素(XRD)分析 22 3.3.3土壤样品的制备 24 3.4试验条件的确定 24 3.5相变补水过程与结果记录 25 3.5.1相变补水过程 25 3.5.2结果记录 27 3.5.3结果处理 27 3.6结果讨论 28 3.6.1土壤样品冷凝过程形貌的变化 28 3.6.2单位面积土壌样品冷凝量 29 3.6.3数据拟合 31 4现场相变补水实验 36 4.1设备的制作和前期准备 36 4.1.1补水装置的制作 36 4.1.2相变补水条件的确定 37 4.2实验过程 37 4_3结果与讨论 38 4.3.1补水质量比较 38 4.3.2空气温湿度比较 38 4.3.3土壤表面温度比较 39 4.3.4土壤内部温度与含水率变化情况 39 4.3.5土壤表面形貌变化 40 4.4理论数据与现场实验数据比较 41 V浙江大学 5结论和展望 42 5.1结论42 5.1.1导致土遗址产生盐析与粉化病害的原因是剧烈失水 42 5.1.2影响相变补水的主要因素的确定以及理论模型的构建 42 5.1.3现场实验结果 43 5.1.4冷凝率模型可大致预测现场实验的补水量结果 43 5.2展望44