本文關鍵詞：石質文物表面污染物微粒子噴射清洗技術研究，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)量眾多的石質文物,如石窟寺、摩崖題刻、石質造像、碑刻、石質建筑等,這些石質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。但石質文物,尤其是戶外保存的大型石質文物在自然及人為因素的影響下極易形成石質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,石質表面污染現(xiàn)象日趨加重。污染物在石質文物表面堆積與富集不僅會遮蔽石質文物表面的精美紋飾與造型影響文物的藝術價值與觀瞻性,同時大多數(shù)污染還會對石質文物的長期保存造成不良影響,甚至會加劇石質文物不良病害的發(fā)生與發(fā)展。那么對石質文物表面污染進行科學認知,并采取科學合理的清洗方法進行污染物去除就成為文物保護工作不可回避的現(xiàn)實問題。采取適合的清洗方法不僅可以去除或減輕石質表面污染物恢復或提升石質文物的藝術價值,增加其可觀瞻性,還可以去除石質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文物病害的發(fā)生,延長石質文物壽命,并為其它后續(xù)保護實施奠定良好基礎。但由于文物本體自身的“珍貴性和不可再生性”,石質文物清洗必須在保證其本體安全的前提下科學合理地進行,不適當?shù)那逑垂に嚰扒逑床牧系氖褂脴O易導致不可挽回的損失。目前國際上對可能造成文物表面腐蝕或由于藥劑殘留導致滯后性不良反應的化學清洗技術體系已經被限制在石質文物保護領域大面積實施,以微粒子噴射、激光等非水物理清洗技術已經逐步成為石質文物清洗技術的重點研究領域和技術發(fā)展趨勢。其中微粒子噴射清洗技術以其無化學殘留、無水(溶劑)操作、可操作性高且可以隨時終止清洗進程、清洗速度快等優(yōu)勢逐步成為石質文物,特別是戶外大型石質文物表面污染物清洗去除的新型優(yōu)勢技術。但在我國有關微粒子噴射清洗技術針對石質文物對象應用的去除機理、操作安全性及其實施效果評估等基礎性研究工作幾乎為零。這極大地限制了該技術石質文物保護領域的應用,也制約了石質文物保護技術的整體發(fā)展。目前我國高度重視文化遺產的科學保護與合理利用,國家在文物保護方面的經費投入也逐年加大,石質文物表面污染物去除的工作量逐年提升,保護需求越來越迫切。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研究”(編號2009BAK53 B05)展開,研究過程中遵照文物保護相關原則理念及其研究基本程序相繼完成了污染調研評估、微粒子噴射清洗作用機理、去除模式、技術安全性、清洗效果測評等基礎性理論研究工作,填補了相關技術空白,對滿足我國石質文物保護工作日益增長的現(xiàn)實需求、避免保護性破壞、促進石質文物保護技術體系的完善具有極高的理論與實際意義。論文進行期間所完成的主要研究工作及其取得的成果如下：(1)完成了石質文物典型污染物調研、分類、成因分析及其危害性評估工作。論文進行期間以世界文化遺產地云岡石窟、廣西花山巖畫為主要研究對象,結合國內其它研究成果完成了我國石質文物典型污染物調查分類工作,歸納出石質文物表面污染形式及其典型種類。首次對我國石質文物典型污染物的化學組成、病害成因、結合方式、活躍性、危害性及其清除的必要性進行了綜合分析與論證,并結合其它科研項目的實施,完成了國家文物局文物保護國家館藏石質文物病害分類方面相關行業(yè)標準《館藏磚石質文物病害與圖示》的編制工作(2015年7月1日推薦執(zhí)行)。污染物研究結果顯示表面污染是石質文物尤其是戶外保存的石質文物普遍存在的現(xiàn)象,常見的典型污染物可以分為自然因素導致的粉塵污染、雨水流掛(水斑)、生物侵蝕、鈣質結殼、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價值的體現(xiàn),而絕大多數(shù)自然因素導致的表面污染不僅影響藝術價值的體現(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會誘發(fā)其它病害的發(fā)生不利于石質文物的長期保存。石質文物表面污染的形成與其材質、保存大氣環(huán)境、地質環(huán)境及其人文環(huán)境直接相關,不同種類的污染與石材表面的結合方式不同,從其微觀結構上可以分為松散型結合、緊密型結合和侵入型結合三大類型,從理論上講松散型最易去除、緊密結合型次之、侵入型污染由于污染物浸入巖石空隙內部則最難去除。對于污染物的去除及其力度控制應綜合評定污染物的危害性、活躍性及其對藝術價值的影響等因素,在保證文物本體安全的前提下選擇適合的工藝方法科學展開。(2)展開了微粒子噴射清洗作用機理及其控制關鍵因子研究,并構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�？焖佟o殘留是微粒子噴射清洗的優(yōu)勢,但由于對其作用機理及其實施工藝安全性控制方面的質疑嚴重影響了其在石質文物保護領域的應用與推廣,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傳遞過程,并分析歸納出微粒子噴射清洗過程的關鍵影響因子及其變化趨勢,為微粒子噴射清洗技術針對石質文物對象展開奠定了理論基礎。研究結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)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自身應力變形非常小,作用力會更有效的直接傳導到石材表面上,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,產生不必要的能量損失,同時還會影響文物清洗精細操作的實現(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去除能力,過猶不及。(3)完成微粒子噴射清洗針對石質文物實施的技術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技術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完成了石質文物常見石材的破損實驗,通過微觀顯微形貌、質量損失及其外觀改變參數(shù)測量,在國內首次綜合評定了微粒子噴射清洗技術針對石質文物實施的技術安全性評估工作,并提出相關安全控制的基本保證條件及其參數(shù)設定值,消除了相關技術質疑及其領域偏見,為該技術在我國石質文物保護領域科學應用提供應用理論與技術支撐。研究結果顯示：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力變形發(fā)生在軟料顆粒上,其去除效果以機械摩擦為主,基本不會導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文物的本體安全,磨料硬度指標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成影響。當采用硬度接近或超過巖石的硬性噴料磨如玻璃微珠等,在設備正常出砂的最低壓力1.5bar時(此壓力以下會導致噴嘴的堵塞),就會導致石材表面的破損與顯微形貌的改變。在設備壓力可調整范圍內調整噴射壓力變化自會對破損的程度構成影響,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的有效操作距離內調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模擬實驗及其戶外標準區(qū)實驗明確了微粒子噴射技術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)設定的建議值,為該技術體系在石質文物保護領域的科學應用及其技術推廣提供借鑒與指導。研究結果顯示清洗作用主要是通過微粒子沖擊導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合方式對污染物的去除效果有著直接的影響,室內實驗及其標準區(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)設置建議如下：①對于表面簡單的積塵、土銹及其鈣化結殼等無機形態(tài)的污染物,由于其污染物的硬度及結構強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,在石材基地無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行減薄處理以緩解或減輕污染,而不建議進行徹底清除。③對于油漆等現(xiàn)代有機涂層,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行一定的減薄處理,但會導致石質文物表面損傷。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�！獕嚎s空氣射流的流動過程及其對靶材的撞擊壓力。并總結出各項噴射指標對射流壓力的具體影響為微粒子噴射清洗技術引入文物保護領域奠定了理論基礎；(2)通過石材破損顯微形貌、外觀改變及其質量損失綜合分析,國內首次完成了石質文物最常見的石灰?guī)r和砂巖材質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針對石質文物實施的安全保證條件,并給出了具體的控制參數(shù)。填補了相關技術的空白,對健我國全石質文物保護技術體系,推動行業(yè)技術進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,并給出了相應的最佳操作參數(shù)推薦設定值,并建立了相應的標準示范區(qū),對以后相關的文物保護修復工作具有指導與借鑒作用。
【關鍵詞】：文物 保護技術 石質文物 污染物 微粒子噴射清洗
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 國內外研究現(xiàn)狀及其分析23-32
• 1.3.1 石質文物保護基本原則及其對清洗技術的特殊要求23-26
• 1.3.2 石質文物清洗技術現(xiàn)狀26-29
• 1.3.3 發(fā)展趨勢及存在問題29-32
• §1.4 論文的主要內容及其研究路線32-35
• 1.4.1 要研究內容32
• 1.4.2 研究路線32-33
• 1.4.3 創(chuàng)新點33-35
• 第二章 石質文物表面污染物研究35-70
• §2.1 戶外石質文物表面污染物調查35-44
• 2.1.1 云岡石窟表面污染物調查35-41
• 2.1.2 花山巖畫表面污染調查41-44
• §2.2 石質文物表面污染物檢測及其成因分析44-63
• 2.2.1 常見石質文物表面污染物檢測分析44-58
• 2.2.2 石質文物表面污染物形成機理探討58-61
• 2.2.3 污染物分類研究61-63
• §2.3 石質文物表面污染物影響及其去除必要性63-68
• 2.3.1 石質文物污染物對石質文物的影響63-67
• 2.3.2 石質文物表面污染去除必要性67-68
• §2.4 石質文物表面污染性質總結68-70
• 第三章 微粒子噴射作用機理及其噴射過程數(shù)字化模擬70-105
• §3.1 石質文物微粒子噴射清洗技術的界定及其技術特征70-71
• §3.2 微粒子噴射設備組成71-73
• §3.3 噴射清洗磨料的特征73-76
• 3.3.1 文物保護領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 設計工況92-93
• 3.6.3 計算結果及分析93-103
• §3.7 本章小結103-105
• 第四章 石質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力應變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 結果分析及其結論127-130
• 4.4.1 數(shù)據(jù)結果討論127-128
• 4.4.2 微粒子噴射清洗安全性研究結論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果分析149-152
• §5.4 本章小結152-154
• 第六章 結論與展望154-159
• §6.1 研究成果及其結論154-157
• §6.2 展望與不足157-159
• 致謝159-160
• 參考文獻160-165

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

本文編號：392958