本文關(guān)鍵詞：石質(zhì)文物表面污染物微粒子噴射清洗技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：中國作為文明古國擁有數(shù)量眾多的石質(zhì)文物,如石窟寺、摩崖題刻、石質(zhì)造像、碑刻、石質(zhì)建筑等,這些石質(zhì)文物對于研究我國古代社會形態(tài),傳承我國優(yōu)秀民族文化均有著極高的價值與意義。但石質(zhì)文物,尤其是戶外保存的大型石質(zhì)文物在自然及人為因素的影響下極易形成石質(zhì)文物的表面變色與污染現(xiàn)象,而且隨著人類活動及其大氣污染的加劇,石質(zhì)表面污染現(xiàn)象日趨加重。污染物在石質(zhì)文物表面堆積與富集不僅會遮蔽石質(zhì)文物表面的精美紋飾與造型影響文物的藝術(shù)價值與觀瞻性,同時大多數(shù)污染還會對石質(zhì)文物的長期保存造成不良影響,甚至?xí)觿∈|(zhì)文物不良病害的發(fā)生與發(fā)展。那么對石質(zhì)文物表面污染進(jìn)行科學(xué)認(rèn)知,并采取科學(xué)合理的清洗方法進(jìn)行污染物去除就成為文物保護(hù)工作不可回避的現(xiàn)實問題。采取適合的清洗方法不僅可以去除或減輕石質(zhì)表面污染物恢復(fù)或提升石質(zhì)文物的藝術(shù)價值,增加其可觀瞻性,還可以去除石質(zhì)文物表面的有害污染如可溶鹽、生物病害等,從而減緩或終止石質(zhì)文物病害的發(fā)生,延長石質(zhì)文物壽命,并為其它后續(xù)保護(hù)實施奠定良好基礎(chǔ)。但由于文物本體自身的“珍貴性和不可再生性”,石質(zhì)文物清洗必須在保證其本體安全的前提下科學(xué)合理地進(jìn)行,不適當(dāng)?shù)那逑垂に嚰扒逑床牧系氖褂脴O易導(dǎo)致不可挽回的損失。目前國際上對可能造成文物表面腐蝕或由于藥劑殘留導(dǎo)致滯后性不良反應(yīng)的化學(xué)清洗技術(shù)體系已經(jīng)被限制在石質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域大面積實施,以微粒子噴射、激光等非水物理清洗技術(shù)已經(jīng)逐步成為石質(zhì)文物清洗技術(shù)的重點研究領(lǐng)域和技術(shù)發(fā)展趨勢。其中微粒子噴射清洗技術(shù)以其無化學(xué)殘留、無水(溶劑)操作、可操作性高且可以隨時終止清洗進(jìn)程、清洗速度快等優(yōu)勢逐步成為石質(zhì)文物,特別是戶外大型石質(zhì)文物表面污染物清洗去除的新型優(yōu)勢技術(shù)。但在我國有關(guān)微粒子噴射清洗技術(shù)針對石質(zhì)文物對象應(yīng)用的去除機(jī)理、操作安全性及其實施效果評估等基礎(chǔ)性研究工作幾乎為零。這極大地限制了該技術(shù)石質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用,也制約了石質(zhì)文物保護(hù)技術(shù)的整體發(fā)展。目前我國高度重視文化遺產(chǎn)的科學(xué)保護(hù)與合理利用,國家在文物保護(hù)方面的經(jīng)費投入也逐年加大,石質(zhì)文物表面污染物去除的工作量逐年提升,保護(hù)需求越來越迫切。本論文依托“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“石窟文物表面有害污物清除技術(shù)研究”(編號2009BAK53 B05)展開,研究過程中遵照文物保護(hù)相關(guān)原則理念及其研究基本程序相繼完成了污染調(diào)研評估、微粒子噴射清洗作用機(jī)理、去除模式、技術(shù)安全性、清洗效果測評等基礎(chǔ)性理論研究工作,填補(bǔ)了相關(guān)技術(shù)空白,對滿足我國石質(zhì)文物保護(hù)工作日益增長的現(xiàn)實需求、避免保護(hù)性破壞、促進(jìn)石質(zhì)文物保護(hù)技術(shù)體系的完善具有極高的理論與實際意義。論文進(jìn)行期間所完成的主要研究工作及其取得的成果如下：(1)完成了石質(zhì)文物典型污染物調(diào)研、分類、成因分析及其危害性評估工作。論文進(jìn)行期間以世界文化遺產(chǎn)地云岡石窟、廣西花山巖畫為主要研究對象,結(jié)合國內(nèi)其它研究成果完成了我國石質(zhì)文物典型污染物調(diào)查分類工作,歸納出石質(zhì)文物表面污染形式及其典型種類。首次對我國石質(zhì)文物典型污染物的化學(xué)組成、病害成因、結(jié)合方式、活躍性、危害性及其清除的必要性進(jìn)行了綜合分析與論證,并結(jié)合其它科研項目的實施,完成了國家文物局文物保護(hù)國家館藏石質(zhì)文物病害分類方面相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《館藏磚石質(zhì)文物病害與圖示》的編制工作(2015年7月1日推薦執(zhí)行)。污染物研究結(jié)果顯示表面污染是石質(zhì)文物尤其是戶外保存的石質(zhì)文物普遍存在的現(xiàn)象,常見的典型污染物可以分為自然因素導(dǎo)致的粉塵污染、雨水流掛(水斑)、生物侵蝕、鈣質(zhì)結(jié)殼、可溶鹽析出、動物污染和人為因數(shù)引起的煙熏黑垢、油脂富集、銹斑、表面涂寫、墨跡污染、油漆色斑、樹脂流掛、水泥污染等14種典型污染。這些污染對文物的不良影響體現(xiàn)在人為污染主要影響視覺效果及其藝術(shù)價值的體現(xiàn),而絕大多數(shù)自然因素導(dǎo)致的表面污染不僅影響藝術(shù)價值的體現(xiàn)而且呈現(xiàn)出活躍和逐步加重的趨勢,有些污染物的存在甚至?xí)T發(fā)其它病害的發(fā)生不利于石質(zhì)文物的長期保存。石質(zhì)文物表面污染的形成與其材質(zhì)、保存大氣環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境及其人文環(huán)境直接相關(guān),不同種類的污染與石材表面的結(jié)合方式不同,從其微觀結(jié)構(gòu)上可以分為松散型結(jié)合、緊密型結(jié)合和侵入型結(jié)合三大類型,從理論上講松散型最易去除、緊密結(jié)合型次之、侵入型污染由于污染物浸入巖石空隙內(nèi)部則最難去除。對于污染物的去除及其力度控制應(yīng)綜合評定污染物的危害性、活躍性及其對藝術(shù)價值的影響等因素,在保證文物本體安全的前提下選擇適合的工藝方法科學(xué)展開。(2)展開了微粒子噴射清洗作用機(jī)理及其控制關(guān)鍵因子研究,并構(gòu)建了粒子噴射流的噴出模型,完成了混合射流離開噴嘴后的射流運動規(guī)律及其噴射壓力跟蹤模擬計算工作。快速、無殘留是微粒子噴射清洗的優(yōu)勢,但由于對其作用機(jī)理及其實施工藝安全性控制方面的質(zhì)疑嚴(yán)重影響了其在石質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣,本論文研究過程中采用商用CFD軟件Fluent工具,分別用拉格朗日法和歐拉法來描述砂粒和壓縮空氣的流動過程,構(gòu)建了微粒子噴射清洗數(shù)理模型,分不同工況對典型軟性噴料核桃砂和玻璃微珠噴料的噴射與碰撞過程分別進(jìn)行了模擬分析,確定了微粒子噴射清洗在不同工況下的去除作用模式及其變化規(guī)律。首次明晰了微粒子噴射清洗過程中噴料載流的加速及其力學(xué)傳遞過程,并分析歸納出微粒子噴射清洗過程的關(guān)鍵影響因子及其變化趨勢,為微粒子噴射清洗技術(shù)針對石質(zhì)文物對象展開奠定了理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果顯示微粒子噴射清洗過程主要是利用粒子射流的沖擊與磨削作用來起到清理效果。建模分析結(jié)果顯示磨料混合流離開噴嘴后形成類似“鐘形”的射流,其顆粒徑向分布呈中央集中趨勢,顆粒離開噴嘴初始階段由于顆粒速度與空氣載流速度仍存在一定差異,在一定噴射距離(30mm以內(nèi))速度仍呈現(xiàn)出增加趨勢,而后逐步衰減,所以一般來說在噴射距離在30-50mm時可以取得最佳去除效果。采用軟性核桃砂作為噴料時,碰撞引起的形變主要集中在軟性噴料顆粒上,且碰撞引起的正面撞擊力較小,主要通過軟料對靶材表面的摩擦刮削作用起到除去效果,此時宜采用較小的噴射角度以起到較好的去除效果；而采用硬性材料如玻璃微珠作為噴料時,玻璃微珠作為剛性材質(zhì)自身應(yīng)力變形非常小,作用力會更有效的直接傳導(dǎo)到石材表面上,去除效果整體好于軟性噴料,但同時操作的安全性也會降低。這時采用較大的噴射角度(75°以上)可以提高射流撞擊力,加強(qiáng)清洗效果。另外,增加噴射壓力和磨料顆粒粒徑有利于被作用面受力的增大從而提高清洗能力,但過高的噴射壓力和顆粒粒徑的增大會導(dǎo)致射流的擾動性及其噴料粒子所受空氣阻力的急劇增大,產(chǎn)生不必要的能量損失,同時還會影響文物清洗精細(xì)操作的實現(xiàn)故此這兩項參數(shù)只能在特定范圍的提升才能有效地增強(qiáng)去除能力,過猶不及。(3)完成微粒子噴射清洗針對石質(zhì)文物實施的技術(shù)安全性評估及其控制參數(shù)測定工作。文物本體安全是所有保護(hù)技術(shù)在文物上實施的先決條件,本文以云岡石窟砂巖、花山巖畫石灰為主要對象兼顧花崗巖和漢白玉等材質(zhì)完成了石質(zhì)文物常見石材的破損實驗,通過微觀顯微形貌、質(zhì)量損失及其外觀改變參數(shù)測量,在國內(nèi)首次綜合評定了微粒子噴射清洗技術(shù)針對石質(zhì)文物實施的技術(shù)安全性評估工作,并提出相關(guān)安全控制的基本保證條件及其參數(shù)設(shè)定值,消除了相關(guān)技術(shù)質(zhì)疑及其領(lǐng)域偏見,為該技術(shù)在我國石質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域科學(xué)應(yīng)用提供應(yīng)用理論與技術(shù)支撐。研究結(jié)果顯示：①微粒子射流對文物石材的主要破壞模式是噴料顆粒撞擊石材表面引起石材表面發(fā)生彈脆性變形,當(dāng)表面承受壓力大于巖石耐受能力時巖石表面發(fā)生微破損而產(chǎn)生破壞。磨料硬度是微粒子噴射清洗安全性控制的首要因素,其直接影響破損的是否產(chǎn)生。采用莫氏硬度低于4的如海綿、核桃砂類軟性磨料做為噴料時,由于軟性磨料在碰撞巖石時應(yīng)力變形發(fā)生在軟料顆粒上,其去除效果以機(jī)械摩擦為主,基本不會導(dǎo)致常見文物石材的表面損傷,可以從根本上保證清洗過程中石質(zhì)文物的本體安全,磨料硬度指標(biāo)是安全控制的第一核心要素。采用莫氏硬度低于4的彈性軟料,如海綿、玉米芯、核桃砂等是杜絕文物石材破損的首要保證條件。②噴射壓力、噴射距離及其噴射角度等操作因素為微粒子噴射清洗安全性影響的二級影響參數(shù),其對破損的程度及其形制構(gòu)成影響。當(dāng)采用硬度接近或超過巖石的硬性噴料磨如玻璃微珠等,在設(shè)備正常出砂的最低壓力1.5bar時(此壓力以下會導(dǎo)致噴嘴的堵塞),就會導(dǎo)致石材表面的破損與顯微形貌的改變。在設(shè)備壓力可調(diào)整范圍內(nèi)調(diào)整噴射壓力變化自會對破損的程度構(gòu)成影響,而不會從根本上杜絕損傷的發(fā)生；同樣噴射操作距離的改變對破損的影響與噴射壓力的影響一致,一般在30-50mm的有效操作距離內(nèi)調(diào)整只能改變損傷程度,同樣不能從根本上杜絕損傷的發(fā)生。噴射角度也是只能改變損傷面的形狀及其質(zhì)量損失量的變化,不能杜絕損傷的發(fā)生。③噴料粒徑大小及其顆粒形狀也會對石材的破損構(gòu)成一定的影響,一般來說顆粒粒徑越大,形狀越不規(guī)則棱角越多,對石材的損傷越大。反過來說噴射清洗過程中選擇較小的噴料顆�；蛘弑砻鎴A滑的球丸性噴料有利于清洗操作安全性的提升；整體來說在控制安全方面各項操作參數(shù)的影響貢獻(xiàn)排序為：磨料硬度噴射壓力和顆粒大小顆粒形狀和噴射角度。噴射清洗實施過程中建議盡量采用80目以下的軟性噴料在適中的壓力條件2—4bar下展開噴射清洗實施,以最大限度的保證石質(zhì)文物本體的無損傷性。(4)完成典型污染物的適用性評估及其實施工藝參數(shù)篩選工作。通過污染物去除室內(nèi)模擬實驗及其戶外標(biāo)準(zhǔn)區(qū)實驗明確了微粒子噴射技術(shù)對各類常見典型污染物的去除能力,評估了噴射清洗的適用性,并給出不同種類污染物去除過程中的噴料選擇及其工作參數(shù)設(shè)定的建議值,為該技術(shù)體系在石質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域的科學(xué)應(yīng)用及其技術(shù)推廣提供借鑒與指導(dǎo)。研究結(jié)果顯示清洗作用主要是通過微粒子沖擊導(dǎo)致污染層本身的磨損或污染層與石材表面直接剝離這兩種主要作用形式來完成污染物去除的目的。污染物自身的性能及其與石材基底地的結(jié)合方式對污染物的去除效果有著直接的影響,室內(nèi)實驗及其標(biāo)準(zhǔn)區(qū)實驗表明微粒子噴射清洗對各類常見污染物的去除效果及其實施工藝參數(shù)設(shè)置建議如下：①對于表面簡單的積塵、土銹及其鈣化結(jié)殼等無機(jī)形態(tài)的污染物,由于其污染物的硬度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般小于巖石基底,去除時選擇硬度小于石材基地軟性噴射磨料(如海綿顆粒、核桃砂顆粒),就可在較小入射角度300-60°下,在石材基地?zé)o底損傷的前提下安全快速去除。清洗過程的噴射壓力及其操作距離僅對清洗的快慢造成一定影響。②對于油污、墨跡、煙熏類等浸入式污染物,微粒子噴射清洗采用軟性磨料僅對石材表面堆積的污染層具有減薄功效,而要徹底去除必須采用接近或者超過巖石基地的硬性磨料連同浸透層一同去除,但勢必引起石材表面的損失。故此對于該類污染物僅建議采用軟性磨料進(jìn)行減薄處理以緩解或減輕污染,而不建議進(jìn)行徹底清除。③對于油漆等現(xiàn)代有機(jī)涂層,由于其表面具有彈性,微粒子噴射清洗去除效果欠佳,只能用具備帶有尖銳角度的磨料可對其進(jìn)行一定的減薄處理,但會導(dǎo)致石質(zhì)文物表面損傷。④對于表面微生物類污染物,由于生物層與石材介質(zhì)之間存在明顯酥松過渡層,采用軟性磨料中帶有尖銳角度的核桃砂顆粒作為噴料,在較小的入射角度30°-60°可在不傷及石材基底情況下快速去除。本論文的創(chuàng)新點如下：(1)采用CFD軟件包Fluent工具建立了微粒子噴射清洗射流噴出模型,運用拉格朗日法和歐拉法計算了噴料砂粒——壓縮空氣射流的流動過程及其對靶材的撞擊壓力。并總結(jié)出各項噴射指標(biāo)對射流壓力的具體影響為微粒子噴射清洗技術(shù)引入文物保護(hù)領(lǐng)域奠定了理論基礎(chǔ)；(2)通過石材破損顯微形貌、外觀改變及其質(zhì)量損失綜合分析,國內(nèi)首次完成了石質(zhì)文物最常見的石灰?guī)r和砂巖材質(zhì)微粒子噴射清洗的操作安全性評估工作,提出了微粒子噴射清洗技術(shù)針對石質(zhì)文物實施的安全保證條件,并給出了具體的控制參數(shù)。填補(bǔ)了相關(guān)技術(shù)的空白,對健我國全石質(zhì)文物保護(hù)技術(shù)體系,推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有較高的理論和實際意義；(3)系統(tǒng)性地完成了我國石質(zhì)文物表面常見污染物微粒子噴射清洗適用性研究,并給出了相應(yīng)的最佳操作參數(shù)推薦設(shè)定值,并建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)示范區(qū),對以后相關(guān)的文物保護(hù)修復(fù)工作具有指導(dǎo)與借鑒作用。
【關(guān)鍵詞】：文物 保護(hù)技術(shù) 石質(zhì)文物 污染物 微粒子噴射清洗
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU45;TU-87
【目錄】：

• 摘要8-12
• ABSTRACT12-20
• 第一章 緒論20-35
• §1.1 引言20-22
• §1.2 選題依據(jù)和研究意義22-23
• §1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其分析23-32
• 1.3.1 石質(zhì)文物保護(hù)基本原則及其對清洗技術(shù)的特殊要求23-26
• 1.3.2 石質(zhì)文物清洗技術(shù)現(xiàn)狀26-29
• 1.3.3 發(fā)展趨勢及存在問題29-32
• §1.4 論文的主要內(nèi)容及其研究路線32-35
• 1.4.1 要研究內(nèi)容32
• 1.4.2 研究路線32-33
• 1.4.3 創(chuàng)新點33-35
• 第二章 石質(zhì)文物表面污染物研究35-70
• §2.1 戶外石質(zhì)文物表面污染物調(diào)查35-44
• 2.1.1 云岡石窟表面污染物調(diào)查35-41
• 2.1.2 花山巖畫表面污染調(diào)查41-44
• §2.2 石質(zhì)文物表面污染物檢測及其成因分析44-63
• 2.2.1 常見石質(zhì)文物表面污染物檢測分析44-58
• 2.2.2 石質(zhì)文物表面污染物形成機(jī)理探討58-61
• 2.2.3 污染物分類研究61-63
• §2.3 石質(zhì)文物表面污染物影響及其去除必要性63-68
• 2.3.1 石質(zhì)文物污染物對石質(zhì)文物的影響63-67
• 2.3.2 石質(zhì)文物表面污染去除必要性67-68
• §2.4 石質(zhì)文物表面污染性質(zhì)總結(jié)68-70
• 第三章 微粒子噴射作用機(jī)理及其噴射過程數(shù)字化模擬70-105
• §3.1 石質(zhì)文物微粒子噴射清洗技術(shù)的界定及其技術(shù)特征70-71
• §3.2 微粒子噴射設(shè)備組成71-73
• §3.3 噴射清洗磨料的特征73-76
• 3.3.1 文物保護(hù)領(lǐng)域常用噴射清洗磨料73-74
• 3.3.2 噴射磨料性能74-76
• §3.4 微粒子噴射清洗作用模式及其影響參數(shù)76-79
• 3.4.1 微粒子噴射清洗去除基本模式76-78
• 3.4.2 微粒子噴射清洗的影響參數(shù)78-79
• §3.5 噴料粒子加速理論基礎(chǔ)及其射流形制79-89
• 3.5.1 氣流速基本理論及其噴嘴出口空氣流速度的估算79-81
• 3.5.2 粒子加速基本規(guī)律及其噴嘴出口粒子速度變化趨勢81-84
• 3.5.3 空氣—粒子噴射流形制84-89
• §3.6 粒子噴射流噴出模型及其射流壓力模擬計算89-103
• 3.6.1 模型描述及方程89-92
• 3.6.2 設(shè)計工況92-93
• 3.6.3 計算結(jié)果及分析93-103
• §3.7 本章小結(jié)103-105
• 第四章 石質(zhì)文物微粒子清洗的安全性研究105-130
• §4.1 粒子沖擊及其巖石表面的應(yīng)力應(yīng)變105-106
• §4.2 微粒子噴射前后形貌改變測量106-115
• 4.2.1 樣塊準(zhǔn)備及其實驗方法107
• 4.2.2 表面破損顯微檢測分析107-113
• 4.2.3 破損外觀改變參數(shù)表征113-115
• §4.3 不同操作條件下的質(zhì)量損失測量115-127
• 4.3.1 磨料硬度的影響115-120
• 4.3.2 噴射角度的影響120-121
• 4.3.3 噴料顆粒大小及其形狀的影響121-124
• 4.3.4 噴射壓力的影響124-127
• §4.4 結(jié)果分析及其結(jié)論127-130
• 4.4.1 數(shù)據(jù)結(jié)果討論127-128
• 4.4.2 微粒子噴射清洗安全性研究結(jié)論128-130
• 第五章 不同污染物的去除效果研究130-154
• §5.1 污染界面及其去除模式130-132
• §5.2 不同污染的去除情況研究132-142
• 5.2.1 樣塊的加工及其污染的模擬132-133
• 5.2.2 具體實驗過程及其結(jié)果133-142
• §5.3 現(xiàn)場綜合實施案例142-152
• 5.3.1 花山巖畫基本情況及工作目的142-143
• 5.3.2 花山巖畫制作工藝143-144
• 5.3.3 花山巖畫表面污染狀況及分析144-148
• 5.3.4 花山巖畫污染物去除實驗148-149
• 5.3.5 花山巖畫綜合清洗實驗結(jié)果分析149-152
• §5.4 本章小結(jié)152-154
• 第六章 結(jié)論與展望154-159
• §6.1 研究成果及其結(jié)論154-157
• §6.2 展望與不足157-159
• 致謝159-160
• 參考文獻(xiàn)160-165

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：392958