本文關(guān)鍵詞：云岡石窟砂巖文物表面污物激光清除機理及應用研究

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【摘要】：石質(zhì)文物(包括石窟寺、石雕像、摩崖石刻和碑刻等形式)在我國歷史文化遺產(chǎn)中占有極其重要的地位,具有歷史久,分布廣,價值高的特點。在漫長的歷史歲月中,由于長期的自然風化(包括物理、化學和生物的風化),再加上工業(yè)化以來的空氣污染、酸雨侵蝕,以及不同程度的人為破壞,這些有著重要歷史、科學、藝術(shù)價值的文物,正在遭受著不同程度的腐蝕、損失,許多珍貴的信息、痕跡都已不復存在,還有一定量的石質(zhì)文物遭受損毀,造成了無法彌補的巨大損失,因此開展石質(zhì)文物保護技術(shù)的研究十分重要。石窟寺是石質(zhì)文物中的典型代表,它是依山開鑿而建的廟宇建筑,里面多有宗教造像或宗教故事的壁畫。中國的石窟起初是仿印度石窟的制度開鑿的,始于3世紀,盛于5-8世紀,經(jīng)過文化交融,形成了獨有的石窟藝術(shù)。中國著名的四大石窟：敦煌石窟、云岡石窟、龍門石窟、大足石刻是中國石窟寺的杰出代表,列入世界文化遺產(chǎn)名錄。由于石窟寺與山體相連,其保護既與石質(zhì)本身有關(guān),也與所處地質(zhì)環(huán)境相關(guān),因此,石窟寺保護技術(shù)也是石質(zhì)文物保護技術(shù)中最為復雜和綜合性最強的,涉及文物保護技術(shù)的各個層面。以云岡石窟為代表的大型不可移動文物,長期暴露在空氣中,空氣中含有的二氧化硫、二氧化氮和粉塵等污染物在氣候變化、光線輻射、生物危害等環(huán)境因素的共同作用下,會導致文物的殘損風化。其中一個典型的病害就是在文物表面形成污染層,這些表層覆蓋物不僅造成了視覺上的污染,而且其中的有害成分嚴重威脅著文物本體的保存,造成文物損毀,同時還會影響進一步保護措施的實施與實施效果,因此,必須采取安全有效的技術(shù)手段對這些有害污物進行清除。激光清洗技術(shù)具有選擇性強、安全度高、適用面廣的特點,是一種新型的石質(zhì)文物有害污物的清除技術(shù),已成為文物保護中的核心清洗技術(shù)之一。國外開展相關(guān)研究已有20多年的歷史,但我國在此方面的國內(nèi)還是空白。因此,以云岡石窟為典型案例,開展激光清洗技術(shù)對石質(zhì)文物有害污物的理論和應用研究,填補我國石質(zhì)文物激光清洗技術(shù)的空白,對全面提升我國石質(zhì)文物保護技術(shù)和推動相關(guān)行業(yè)技術(shù)的進步,具有重要的理論和實際意義。本論文依托國家“十一五”支撐計劃課題“石窟文物表面有害污物清除技術(shù)研究”(課題編號：2009BAK53805),在充分調(diào)研國內(nèi)外石質(zhì)文物激光清洗技術(shù)設(shè)備、激光清洗理論研究和文物保護工程實例的基礎(chǔ)上,以對云岡石窟文物表面典型污物為清除對象,開展了云岡石窟文物本體及其表面污物基本性質(zhì)的分析梳理、激光清除表面典型污物的試驗、激光清除石質(zhì)文物的安全性試驗、激光清洗設(shè)備研發(fā)、激光清洗石質(zhì)文物工藝研究以及現(xiàn)場應用驗證試驗等,對表面污物激光清洗的機理和文物安全性方面進行了研究分析。本文首先總結(jié)分析了用于清除石質(zhì)文物表面污物的激光設(shè)備的類型及其作用方式,梳理了激光與物質(zhì)作用過程以及激光清洗的幾種作用機制。對石質(zhì)文物激光清洗而言,主要使用激光清洗設(shè)備是Nd:YAG激光器,其使用的波長是1064nm或532nm,一般以1064nm為主。激光脈沖能量范圍一般為0到1000mJ,脈沖寬度5-20ns,重復頻率≥5-20Hz。激光清洗方式分為干式清洗和濕洗清洗兩種方式。激光干式清洗法就是激光直接照射在物體表面,污染微�；虮砻嫖漳芰亢�,通過熱擴散、光分解、氣化等使微粒離開表面。激光濕式清洗法就是在欲清洗的材料表面噴上一些無污染的液體(主要是水,有時也采用酒精),然后用激光照射,在液體介質(zhì)的輔助作用下,產(chǎn)生爆炸性汽化,使其周圍的污染微粒脫離材料表面。激光與材料的相互作用取決于激光的特性與材料特性,也與外部環(huán)境有關(guān)。激光作用在材料表面,其表面就會對激光產(chǎn)生吸收和反射,這種吸收和發(fā)射主要取決于材料表面的光學性質(zhì)。在線性范圍內(nèi),是產(chǎn)生發(fā)熱、氣化蒸發(fā)、光聲等現(xiàn)象；當非線性時,會生成多相流(包括固態(tài)顆粒、水蒸氣和氣體)以及在某些情況中還有等離子相(特征為所謂的燒蝕等離子體羽),這些都表明了激光與物質(zhì)作用機制的復雜性。激光清洗經(jīng)常用到的解釋模型為激光作用粒子產(chǎn)生熱膨脹導致粒子產(chǎn)生很高的加速度而脫離物質(zhì)表面,激光作用材料產(chǎn)生的選擇性燒蝕,以及激光作用產(chǎn)生的光聲效應及光機械作用等。由于激光作用與作用對象材料的性質(zhì)相關(guān),因此必須了解對激光作用對象云岡石窟砂巖及其表面典型污物的基本性質(zhì)。本文結(jié)合以往的研究成果,對云岡石窟文物砂巖的基本性質(zhì)和其表面主要污染物狀況進行了測試分析。相關(guān)調(diào)查和分析結(jié)果表明,云岡砂巖顆粒成分主要為石英和長石。云岡石窟砂巖的平均天然密度為2.50g/cm3,平均干密度2.49g/cm3,飽和密度2.55g/cm3,平均孔隙率為5.63%。試驗測試結(jié)果表明云岡砂巖抗壓強度大約在65-128 MPa,彈性模量在16～34 GPa,變形模量在11～24 GPa,泊松比在0.15-0.3,抗拉強度在2.5～5 MPa之間,導熱系數(shù)平均為3.338W/(m.K),比熱約為850-950 J/kg·K,線膨脹系數(shù)α大約為7.3-9.5×10-6(1/K)。云岡石窟文物表面污染物種類眾多,大致可分為12種類型的污染物病害。其污染物病害類型主要有粉塵堆積、鹽堿結(jié)晶、煙熏黑垢、水泥修補、黃斑、殘留樹脂、字跡刻畫、油漆色斑、油脂、水斑、動物污穢、生物等12種。其中粉塵污染和煙熏黑垢是其主要的外源污染物,占整個外源污染物的91%以上,另外,主要的外源污染物有涂鴉刻痕、水泥、樹脂等。粉塵沉積污染是云岡石窟最大的污染類型,占整個污染的50%以上。其主要來源為空氣的飄塵,主要成分為石膏、礦物顆粒和碳。粉塵沉積的黑灰色顆粒物與巖石表面貼合密切,堆積層顆粒細小,結(jié)構(gòu)疏松。煙熏黑垢是另一類主要的病害,占整個外源污染的13%以上,其主要成分為石膏和碳,煙熏黑垢一般都比較均勻地覆蓋在巖石表面,邊界清晰。依據(jù)云岡石窟文物表面污染物的基本特特征,選取云岡本地砂巖為巖石基底,選擇了四種典型污染類型：粉塵、煙熏、墨跡、油漆制作完成了相關(guān)試驗樣品,開展激光清除污染物的干洗和濕洗試驗并進行了清洗機理的研究與探討。試驗結(jié)果表明,激光可有效清除砂巖表面的上述四種污染物。在激光1064nm波長,脈沖寬度10ns,光斑直徑3mm條件下,激光對四種不同污染物的清洗閡值為：墨跡干洗清洗閾值21mJ,濕洗清洗閾值21mJ；煙熏黑垢干洗閾值20.5mJ,濕洗閾值20.5mJ；油漆32.5mJ,濕洗閡值32.5mJ；石灰干洗閾值49.5mJ,濕洗閾值33.5mJ。采用石墨物理參數(shù)表征墨跡和煙熏黑垢、石灰石膏灰漿物理參數(shù)表征石灰污垢以及油漆物理參數(shù),利用限元分析軟件ANSYS對污染層溫度場和應力場進行了模擬計算。結(jié)果表明,對于墨跡及煙熏黑垢,激光輻射能量20mJ時,其表面溫度可達3047℃,等效應力可達237MPa,其拉應力為0.029 MPa。激光清除墨跡的干洗清除機制為：在激光輻射下,炭黑受熱升溫產(chǎn)生熱應變,碳黑升溫達到燃點時在空氣中會產(chǎn)生的燃燒導致剝離。濕洗清除機制為：在水的作用下,水溶解墨跡膜,導致一方面使附著力降低,另一方面,水受熱氣化產(chǎn)生爆破現(xiàn)象,加速了污染物的剝蝕速度,在這一過程中熱應變也起著一定的作用。激光清除煙熏黑垢的機制為熱應變以及受熱升溫而產(chǎn)生油性物質(zhì)汽化作用而產(chǎn)生的爆破作用。由于有油性有機物存在,會受熱氣化蒸發(fā),間接起到了濕洗的作用。由于油不溶于水,濕洗不會對污染層起作用,濕洗機制與干洗機制類同。對于油漆,計算結(jié)果表明,當40mJ激光輻照時,油漆表面溫度為1977K,輻照區(qū)中心點等效應力最高為155MPa,最高拉應力為0.364MPa。激光對油漆的清除機制主要為溫升引起的燒蝕,使油漆發(fā)生燃燒或汽化以及和由于油漆受熱膨脹產(chǎn)生的機械力造成的。對于石灰,計算結(jié)果表明,在40mJ的激光輻照下,其表面溫度可達3388K,中心點等效應力最高為8.38MPa,最高拉應力為0.012MPa。激光清除石灰的機制為,干洗情況下主要為燒蝕與熱應力作用。在濕洗情況下,由于有水的參與,燒蝕作用會降低,除了熱應力外,還有,如水的蒸發(fā)汽化產(chǎn)生爆破壓力等多種機制參與,使得清洗閾值降低,清洗效率提高。激光清洗技術(shù)清除文物是否會對對文物造成損傷是這項技術(shù)能否應用于文物保護的首要和關(guān)鍵問題,因此必須開展激光清除砂巖文物的安全性研究,以確定可使用的能量上限。為此,利用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建理論模型,計算出激光入射后砂巖的溫度及應力的變化情況對激光對云岡砂巖的損傷進行分析并通過試驗予以驗證。激光能量輻照下砂巖表面的溫度情況結(jié)果表明,當輻射能量為100mJ時,砂巖輻照區(qū)中心點溫度最高,溫度為878K,距離中心點越遠溫度逐漸降低。輻射能量為200mJ時,砂巖表面溫度會升至1500K左右,可能會出現(xiàn)融蝕現(xiàn)象。輻照區(qū)中心點溫度隨時問變化情況表明,經(jīng)1次脈沖輻照后,表面溫度迅速上升達最高溫度,在0.2s內(nèi)溫度迅速下降至室溫,以1Hz頻率的激光輻射砂巖,砂巖表面不會產(chǎn)生累積的熱效應。激光能量輻照下砂巖表面應力計算情況表明,當激光能量在74mJ以上,脈沖次數(shù)為10次時,砂巖受到的應力大于云岡砂巖的抗壓強度和抗拉強度,因此74mJ可視為云岡砂巖的激光輻射的理論損傷閾值。為驗證模型的可行性,進行了砂巖損傷閡值的測試實驗,采用顯微觀察和精確天平測量砂巖在激光輻射下質(zhì)量的損失,測得砂巖的損傷閾值為73.5mJ,計算值與實驗值比較接近,說明了該理論模型比較符合實際情況,可以用來預測激光清洗砂巖文物的損傷閾值。文物保護研究目的是解決文物保護工程實踐的實際問題。為此,研發(fā)了石質(zhì)文物激光清洗專用設(shè)備和實施工藝。石質(zhì)文物激光清洗專用設(shè)備結(jié)合文物保護需求,具有實時在線監(jiān)測和激光光斑位置指示系統(tǒng)等特殊功能。激光清洗石質(zhì)文物操作技術(shù)規(guī)程依據(jù)文物保護原則以及文物表面污染物清除的基本流程,結(jié)合激光清除砂巖表面污染物的試驗制定。主要內(nèi)容包括表面污染物反射率檢測、石質(zhì)基底損傷閾值測試、污染物清洗閾值測試、清洗測試、清除過程實施、效果評估、檔案記錄和報告等。在此基礎(chǔ)上選取山西云岡石窟、四川綿陽碧水寺、四川樂山大佛以及廣西花山巖畫等地進行了激光清除文物表面墨跡、煙熏、生物生長等典型污染物現(xiàn)場實地試驗,對實驗室的研究成果進行了驗證。結(jié)果表明,激光清洗專用設(shè)備和實施工藝符合具體的文物保護工程實際,可應用于具體的文物保護工程實踐之中。本文的創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在：(1)開展了激光清除云岡石窟砂巖文物表面主要污染物清除試驗,得出激光清除不同污染物的清洗閾值,并從溫度變化、熱應力效應及化學作用等幾個方面研究分析了激光清除污染物的主要作用過程；建立了激光與云岡砂巖作用的損傷理論模型并進行了試驗驗證,得到了激光清洗砂巖文物的安全閾值,結(jié)果表明,模型比較符合實際情況。(2)研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石質(zhì)文物激光清洗設(shè)備,該設(shè)備具有實時在線監(jiān)測文物表面形貌、激光能量監(jiān)測、可見光指示和激光光斑可調(diào)的功能�？捎行У馗鶕�(jù)文物及其污物的具體情況進行位置的定點和清洗區(qū)域的控制,并可在清洗過程進行調(diào)整,確保文物的安全。該設(shè)備已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利,專利證書號；第1113791號。(3)研究提出了激光清洗石質(zhì)文物表面污物清洗的工藝流程和方法,為應用激光技術(shù)清除石質(zhì)文物以及其它類表面污物的工程實踐提供了參考依據(jù)。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU45;TU-87

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：1172926