寒冷与石质文物保护研究

——石质文物冻融循环风化介绍

霍晓彤 杜之岩 高佩华

（复旦大学文物与博物馆学系博士生、博士后、硕士生）

前言

近年来，气候变化大背景下的遗产保护工作在全球范围内逐渐受到重视, 为进一步推动气候变化大背景下文化遗产的保护工作，展现遗产保护在应对气候变化、实现可持续发展等问题中的潜力，ICOMOS将2022年度国际古迹遗址日的主题确定为"遗产与气候” (Heritage & Climate)。

气候变化会导致全球生态环境、人类文化及社会的紊乱，对文化遗产的保护更是带来不利的影响，全球大量不可移动文化遗产都面临着气候持续变化带来的风险，2007年5月出版的《关于预测和管理气候变化对世界遗产的影响报告》中详细列举了气候变化对世界文化遗产的风险和影响（表1）。

▲ 表1 气候变化对世界文化遗产的影响（图源：World Heritage Reports n°22 - Climate Change and World Heritage，2007）

气候是指一个地区大气物理特征的长期波动状态，具有一定的稳定性。对于文化遗产保护来说，我们需要了解遗产所处的局部微气候情况，研究小范围内气候的变化规律，更要深入研究微气候变化引起的文化遗产本体与周围环境之间复杂的相互作用。

从文物保护的观点来看，我们需要了解各类文化遗产在“气候变化”的条件下产生的变化以及变化过程，并及时制定适应的保护技术、方法与策略。以不可移动石质文物为例，岩石受风化作用导致其本体出现劣化，这一过程受气候变化影响尤为明显。风化作用是在大气条件下，岩石的物理性状和化学成分发生变化的作用，暴露于自然环境中的古建筑、古遗址、石窟寺、岩画、石刻石雕等均无法避免其害：在长期受到太阳辐射、温湿度变化、降雨和生物作用等环境因素影响，或岩石性能会发生劣化，岩石结构发生机械破碎（物理风化）；或岩石化学成分发生改变，甚至形成新的次生矿物（化学风化），最终导致文物信息的载体层（岩体表层）发生形变破坏，呈现裂隙、空鼓、泛盐、片状剥落、颗粒状剥落等不同形态的病害（图1），威胁到文物艺术价值与历史信息。

▲ 图1 不可移动石质文物风化病害（杜之岩摄影，高佩华绘制）

随着极端气候的增多，特别是我国北方极寒天气的多次出现，使我们不得不重视寒冷条件下石质文物的保护。我国北方地区保存大量不可移动石质文物（图2 ），了解寒冷气候对这些文物影响机制是我们制定相关保护策略的前提。本文以对我国北方寒冷地区石质文物所面临的典型风化作用——冻融循环风化为对象，从冻融损伤理论、影响因素、力学损伤识别几个方面介绍其作用机理与研究进展。

▲ 图2 我国寒冷地区部分不可移动石质文物分布（霍晓彤 摄影/绘制）

石质文物冻融循环风化

由一般常识可知，水结晶成冰时会产生约9%的体积膨胀,若水所在介质（如岩石）内部空间密闭且介质含水率大于一定程度（理论值约为91%）,就会产生较大的膨胀力，对岩石等介质内部结构造成破坏（图3）。上述过程也是我们理解石质文物冻融循环破坏的理论基础，但实际冻融循环破坏的机理相当复杂。

▲ 图3 体积膨胀理论示意图（图源：低场核磁共振成像分析技术在岩石岩土冻融中的应用实例，2019）

1.冻融损伤理论

石质文物的冻融过程的传统理论可简单描述为（图4）：温度下降使岩石内部孔隙水冻结，体积膨胀，岩石介质遇冷收缩，产生冻胀力，导致岩石内部原生孔隙和裂隙发展同时产生新的孔隙，并破坏岩石内的胶结物。温度上升使岩石内部冰融化成水，并在岩石内部渗流迁移，形成裂隙通道并带走破坏后的胶结物质与颗粒，使岩石孔隙率进一步增大；冻融反复循环，导致岩石损伤。

▲ 图4 岩石冻融过程示意图（图源：岩石与岩体冻融损伤内涵区别及研究进展，2019，作者修改）

国内外学者对岩石冻融作用研究逐渐深化，探索水分迁移机理和水冰相变机制方向发展，基于土体冻胀相关理论，先后提出了若干岩石冻融损伤理论，主要有静水压力理论、毛细管理论、冻结缘概念与分凝冰理论。

静水压理论认为对于表面接近饱和、内部相对干燥的岩石试样而言，表面水的冻结会不断驱使未冻水进入岩样内部,若岩样渗透系数较小或冻结速率较大,冻结过程产生的静水压力达到一定程度就会对岩石造成损伤（图5）。

▲ 图5 静水压理论示意模型与计算公式（图源：近代混凝土技术，1998）

毛细管理论认为无冻胀区域的水一冰界面处于动态平衡状态，由于能量转移、温度变化和表面张力差异等因素影响，原本的平衡体系被打破，孔隙间形成压力差（图6）。在压力差作用下，分凝机制运行，岩石内部水分开始迁移。毛细管理论虽然指出了水分迁移驱动力来源，但无法诠释不连续冰透镜体的形成过程。

▲ 图6 毛细理论示意图（图源：寒冷让大地也会起“鸡皮疙瘩”，2018）

冻结缘概念与分凝冰理论：冰冻区与未冻区之间存在一个含水率与导湿率相对较低的无冻胀空间，该空间被称为冻结缘（图7）。若冻结过程有足够的水分，在分凝势的驱动下，未冻水就会通过冻结缘向冻结区域迁移，冰透镜体随之不断增长，一旦冻结压力超过岩石最大强度，岩石内部结构便会产生损伤（图8）。

▲ 图7 冻结缘理论示意图（图源：寒冷让大地也会起“鸡皮疙瘩”，2018）

▲ 图8 分凝机制示意图（图源：岩石与岩体冻融损伤内涵区别及研究进展，2019）

2.冻融损伤影响因素

冻融循环作用下，岩石劣化的影响因素主要包括：岩性、孔隙率和饱和度、冻融循环次数、温度及速率、水化环境、未冻水和应力状态等。此外，岩石物理力学性质即岩石基质的颗粒大小、弹性模量、孔隙率、抗拉/压强度等都会影响裂隙岩体中的冻胀力大小，从而导致冻融损伤程度不同。

相关影响因素可总结为：

（1）不同岩性的抗冻融能力不同，在冻融作用下其物理力学性质变化具有明显差异，随着岩石风化程度的加剧，同种岩性的抗冻融性能降低；

（2）冻融次数增多、冻融温度越低、冻融速率增大，岩石受冻融劣化更明显，冻融循环条件参数与冻融循环后岩石单轴抗压强度、弹性模量、抗拉强度具有拟合关系；

（3）岩石的抗拉强度、比表面积、孔隙率对岩石的冻胀劣化程度影响最大。孔隙率存在类似的临界值，只有大于临界值时岩石才会出现损伤，且与冻融损伤呈正相关；

（4）孔隙率为水分的储存和迁移提供空间，从而对岩石的损伤产生影响，当岩石饱和度超过临界值时，岩石冻融劣化明显；

（5）酸性溶液对岩石的冻融损伤具有促进作用，而碱性溶液具有一定抑制作用，其中，环境水溶液pH值越低，对岩石冻融损伤程度越大；

（6）未冻水在水分迁移的过程中发挥着巨大作用，其中未冻水膜为水分迁移提供了通道和动力，自由未冻水为水分迁移提供水源，促进岩石冻融损伤，等等。

3.冻融力学损伤识别

近期研究认为岩石与岩体冻融损伤存在显著的尺度效应，可将冻融损伤研究划分为微观、细观和宏观3个层次，并梳理了不同层级下的损伤特征及对应损伤识别方法（表2）。

▲表2 不同尺度下岩石力学损伤识别

国内外学者研究冻融作用下对岩石细观结构的变化特征，既对岩石冻融力学损伤进行识别，主要采用扫描电镜、CT扫描、图像处理技术和核磁共振技术，观察在冻融作用下，岩石内部原有孔隙和裂隙扩展、新生孔隙和裂隙、岩石内部的胶结物溶解：

岩石声波测试是以声波在岩石中的传播特性与岩石的物理力学参数相关性为基础，通过测定声波在岩石中的传播特性参数（图9）, 可在无损情况下获取岩，包括岩石组分、孔隙度、岩石的应力、弹性模量、泊松比、冲击倾向性、各向异性等特性参数。N. Matsuoka较早地进行了岩石冻融循环过程中的P 波波速测试，利用P 波波速定义了岩石的冻胀碎裂速率。 声波在岩石内部传播过程中，穿过节理、缺陷等不同介质时，其动力学特征将受到影响，同时温度、含水状态等外界因素对岩石波速测试影响较大。

▲ 图9 proceq qundit超声波检测设备（图源：proceq qundi产品介绍手册）

扫描电镜分辨率提高到纳米领域，为岩石的微观损伤探测提供多种综合分析能力，可进行定性描述及定量分析（图10）。利用扫描电镜，能观测到冻融后岩石现有裂隙的扩展情况，也能观察到新的裂隙和孔隙的产生。尤其是对于岩石细、微观损伤的探测可聚焦同一位置，连续观测细观尺度到微观尺度的岩石损伤。但该方式只能观测岩石样品表面损伤，对其内部损伤尚无法进行全面探测，且样品准制备过程中会破坏其原有结构，甚至会引入人为损伤，很难准确识别冻融微观损伤。

▲ 图10 扫描电镜设备及图像设备（霍晓彤 摄影）

CT技术可实现细观损伤的快速无损识别，其识别范围涵盖了细观尺度至宏观尺度内的损伤，并可实现同步识别，获得识别断面损伤特征的定量化分析结果及高分辨率数字图像，结合图像处理技术进行更为系统的定量分析。杨更社等在国内较早提出了利用CT 扫描技术对岩石冻融损伤过程进行研究，并利用CT 数定义了损伤变量。根据CT 图像可对岩石孔隙(裂隙)结构进行三维重构（图11），从而建立细观损伤与宏观性质之间的联系，并用于研究岩石在冻融作用的演化规律。

▲ 图11 CT扫描三维重建图像（图源：基于CT 图像处理技术的冻融岩石细观损伤研究，2020）

岩石力学试验分成现场（原位）试验和室内试验。现场试验主要研究岩体的结构、强度及变形特征，室内试验（图12）则主要研究岩石的微观结构、强度及变形特征，目的是了解岩石本身的物理及力学性质。其中影响参数中以单一参数为主，测试简单、需要试样较少，但却往往不能全面反映岩体经历的冻融损伤过程。力学参数中以静弹性模量定义损伤变量为主，能直接反映岩体的力学强度弱化。但其缺点是需要大量试样进行不同循环次数下的力学试验，且受到试验条件影响较大，不能客观地反映岩石的冻融损伤过程。力学测试以试验数据拟合为主，无法反映岩石冻融损伤的内在机制与所选取物理量的一般变化规律。

▲ 图12岩石力学测试示意（霍晓彤 提供）

我国不可移动石质文物

冻融循环作用研究进展

近年来，我国石质文物保护研究发展迅速，但石质文物冻融风化相关研究较少。目前，我国一些学者开展了云冈石窟、麦积山石窟、炳灵寺石窟、马蹄寺石窟、贺兰山岩画冻融风化作用研究，并主要在实验室研究方面取得一定成果。

云冈石窟

方云等研究云冈石窟岩石在冻融作用下尺寸、质量以及纵波波速、单轴抗压等物理力学特性变化规律，认为冻融循环在宏观上弱化了砂岩的物理力学指标,在微观上改变岩石的微观结构；利用扫描电镜观察，发现冻融损伤始于岩样的缺陷部位,并随着循环冻融次数的增加沿缺陷部位发展。

王来贵等开展冻融循环作用下云冈石窟含结核砂岩风化特征研究，利用激光共聚焦显微镜观察冻融循实验条件下砂岩结核、砂岩基质、以及结核与基质交界面（图13），认为冻融循环作用是云冈石窟孔状风化的重要环境因素，结核与基质物理力学性质差异是含结核砂岩交界面破坏的内在原因，并建立了云冈石窟含核砂岩冻融破坏模型。

严绍军等在云冈石窟岩石风化试验研究中，建立岩石抗压强度冻融衰减曲线，认为岩石抗冻性较好，冻融导致岩石的破坏速度远小于酸和可溶盐的破坏速度。刘海康等通过对云冈石窟不同初始含水率砂岩进行冻融试验，分析其吸水率、纵波波速、单轴抗压强度变化规律，定义了云冈石窟冻融损伤饱和度阈值。

▲ 云冈石窟（霍晓彤 摄影）

▲ 图13 不同冻融循环次数砂岩基质显微镜成像图（图源：冻融循环作用下含结核砂岩风化特征实验研究，2018）

麦积山石窟

杨鸿锐等研究麦积山石窟饱水砂砾岩在3 种温度区间冻融循环作用下的波速损失率、质量损失率和抗拉强度的变化规律，认为温度区间是岩石冻融劣化的关键性环境控制因素，岩石原始胶结结构的破坏以及形成的孔隙是影响岩石冻融劣化的关键性内在因素，可利用结晶均化应力与岩石屈服强度的对比判断冻融作用对岩石损伤的影响（图14）。

▲ 麦积山石窟（霍晓彤 摄影）

▲ 图14 冻融循环衰减模型（左）；均化应力变化曲线（右）（图源：冻融循环对麦积山石窟砂砾岩微观结构损伤机制研究，2021）

炳灵寺石窟

陈文武等对炳灵寺石窟不同风化程度（风化带）的岩样进行三种模式的冻融模拟实验。结果表明，在相同冻融条件下，两个风化度的样品出现了类似的劣化模式，但具有高风化度的砂岩可能更容易受到内部孔隙变化的影响，不同风化度的砂岩会形成表面强度损失的差异（图15）。

▲ 炳灵寺石窟（图源：甘肃省文物局官网）

▲ 图15 不同风化度砂岩冻融损伤模式（图源：Effects of Experimental Frost–thaw Cycles on Sandstones with Different Weathering Degrees: A Case from the Bingling Temple Grottoes, China，2019）

马蹄寺石窟

乔榛等在循环作用对马蹄寺石窟群岩体性能的影响研究中，进行冻融、温湿、耐酸、耐碱和耐盐5种循环试验（图16），认为冻融循环对岩石影响程度最大，造成岩石胶结程度下降、孔隙裂隙增多甚至贯通形成横向微裂隙。

▲ 马蹄寺石窟（图源：甘肃省文物局官网）

▲ 图16 不同循环后样品的扫描电镜图（图源：循环作用对马蹄寺石窟群岩体性能的影响，2021）

贺兰山岩画

崔凯等对不同水化环境条件下贺兰山岩石进行冻融循环实验，通过质量、孔隙率、弹性波速、单轴抗压强度测试、扫描电镜、X射线衍射等方法索损伤特征及损伤变量（图17），认为在不同条件的冻融循环过程中，岩石宏观性质出现不同程度的累积性损伤，而且这种损伤是由冻胀、溶蚀和盐分结晶出现不同组合情况而造成试样孔隙的类型、数量和联通情况产生了差异而导致。

▲ 贺兰山岩画（霍晓彤 摄影）

▲ 图17 不同溶液条件和不同冻融循环次数下试样扫描电镜图（图源：不同条件下贺兰口岩画载体岩石冻融损伤特征与机制研究，2019）

我国北方寒冷地区的不可移动石质文物分布广泛，所处环境的地质条件和气候条件差异甚大，面临的冻融风化问题各有不同，未来更需要结合各遗产地实际保护需求，结合现有实验室研究成果，开展具有针对性的深入研究。

参考文献