石质文物表面污染物微粒子喷射清洗技术研究

发布时间：2017-05-25 07:01

  本文关键词：石质文物表面污染物微粒子喷射清洗技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：中国作为文明古国拥有数量众多的石质文物,如石窟寺、摩崖题刻、石质造像、碑刻、石质建筑等,这些石质文物对于研究我国古代社会形态,传承我国优秀民族文化均有着极高的价值与意义。但石质文物,尤其是户外保存的大型石质文物在自然及人为因素的影响下极易形成石质文物的表面变色与污染现象,而且随着人类活动及其大气污染的加剧,石质表面污染现象日趋加重。污染物在石质文物表面堆积与富集不仅会遮蔽石质文物表面的精美纹饰与造型影响文物的艺术价值与观瞻性,同时大多数污染还会对石质文物的长期保存造成不良影响,甚至会加剧石质文物不良病害的发生与发展。那么对石质文物表面污染进行科学认知,并采取科学合理的清洗方法进行污染物去除就成为文物保护工作不可回避的现实问题。采取适合的清洗方法不仅可以去除或减轻石质表面污染物恢复或提升石质文物的艺术价值,增加其可观瞻性,还可以去除石质文物表面的有害污染如可溶盐、生物病害等,从而减缓或终止石质文物病害的发生,延长石质文物寿命,并为其它后续保护实施奠定良好基础。但由于文物本体自身的“珍贵性和不可再生性”,石质文物清洗必须在保证其本体安全的前提下科学合理地进行,不适当的清洗工艺及清洗材料的使用极易导致不可挽回的损失。目前国际上对可能造成文物表面腐蚀或由于药剂残留导致滞后性不良反应的化学清洗技术体系已经被限制在石质文物保护领域大面积实施,以微粒子喷射、激光等非水物理清洗技术已经逐步成为石质文物清洗技术的重点研究领域和技术发展趋势。其中微粒子喷射清洗技术以其无化学残留、无水(溶剂)操作、可操作性高且可以随时终止清洗进程、清洗速度快等优势逐步成为石质文物,特别是户外大型石质文物表面污染物清洗去除的新型优势技术。但在我国有关微粒子喷射清洗技术针对石质文物对象应用的去除机理、操作安全性及其实施效果评估等基础性研究工作几乎为零。这极大地限制了该技术石质文物保护领域的应用,也制约了石质文物保护技术的整体发展。目前我国高度重视文化遗产的科学保护与合理利用,国家在文物保护方面的经费投入也逐年加大,石质文物表面污染物去除的工作量逐年提升,保护需求越来越迫切。本论文依托“十一五”国家科技支撑计划重点项目“石窟文物表面有害污物清除技术研究”(编号2009BAK53 B05)展开,研究过程中遵照文物保护相关原则理念及其研究基本程序相继完成了污染调研评估、微粒子喷射清洗作用机理、去除模式、技术安全性、清洗效果测评等基础性理论研究工作,填补了相关技术空白,对满足我国石质文物保护工作日益增长的现实需求、避免保护性破坏、促进石质文物保护技术体系的完善具有极高的理论与实际意义。论文进行期间所完成的主要研究工作及其取得的成果如下：(1)完成了石质文物典型污染物调研、分类、成因分析及其危害性评估工作。论文进行期间以世界文化遗产地云冈石窟、广西花山岩画为主要研究对象,结合国内其它研究成果完成了我国石质文物典型污染物调查分类工作,归纳出石质文物表面污染形式及其典型种类。首次对我国石质文物典型污染物的化学组成、病害成因、结合方式、活跃性、危害性及其清除的必要性进行了综合分析与论证,并结合其它科研项目的实施,完成了国家文物局文物保护国家馆藏石质文物病害分类方面相关行业标准《馆藏砖石质文物病害与图示》的编制工作(2015年7月1日推荐执行)。污染物研究结果显示表面污染是石质文物尤其是户外保存的石质文物普遍存在的现象,常见的典型污染物可以分为自然因素导致的粉尘污染、雨水流挂(水斑)、生物侵蚀、钙质结壳、可溶盐析出、动物污染和人为因数引起的烟熏黑垢、油脂富集、锈斑、表面涂写、墨迹污染、油漆色斑、树脂流挂、水泥污染等14种典型污染。这些污染对文物的不良影响体现在人为污染主要影响视觉效果及其艺术价值的体现,而绝大多数自然因素导致的表面污染不仅影响艺术价值的体现而且呈现出活跃和逐步加重的趋势,有些污染物的存在甚至会诱发其它病害的发生不利于石质文物的长期保存。石质文物表面污染的形成与其材质、保存大气环境、地质环境及其人文环境直接相关,不同种类的污染与石材表面的结合方式不同,从其微观结构上可以分为松散型结合、紧密型结合和侵入型结合三大类型,从理论上讲松散型最易去除、紧密结合型次之、侵入型污染由于污染物浸入岩石空隙内部则最难去除。对于污染物的去除及其力度控制应综合评定污染物的危害性、活跃性及其对艺术价值的影响等因素,在保证文物本体安全的前提下选择适合的工艺方法科学展开。(2)展开了微粒子喷射清洗作用机理及其控制关键因子研究,并构建了粒子喷射流的喷出模型,完成了混合射流离开喷嘴后的射流运动规律及其喷射压力跟踪模拟计算工作。快速、无残留是微粒子喷射清洗的优势,但由于对其作用机理及其实施工艺安全性控制方面的质疑严重影响了其在石质文物保护领域的应用与推广,本论文研究过程中采用商用CFD软件Fluent工具,分别用拉格朗日法和欧拉法来描述砂粒和压缩空气的流动过程,构建了微粒子喷射清洗数理模型,分不同工况对典型软性喷料核桃砂和玻璃微珠喷料的喷射与碰撞过程分别进行了模拟分析,确定了微粒子喷射清洗在不同工况下的去除作用模式及其变化规律。首次明晰了微粒子喷射清洗过程中喷料载流的加速及其力学传递过程,并分析归纳出微粒子喷射清洗过程的关键影响因子及其变化趋势,为微粒子喷射清洗技术针对石质文物对象展开奠定了理论基础。研究结果显示微粒子喷射清洗过程主要是利用粒子射流的冲击与磨削作用来起到清理效果。建模分析结果显示磨料混合流离开喷嘴后形成类似“钟形”的射流,其颗粒径向分布呈中央集中趋势,颗粒离开喷嘴初始阶段由于颗粒速度与空气载流速度仍存在一定差异,在一定喷射距离(30mm以内)速度仍呈现出增加趋势,而后逐步衰减,所以一般来说在喷射距离在30-50mm时可以取得最佳去除效果。采用软性核桃砂作为喷料时,碰撞引起的形变主要集中在软性喷料颗粒上,且碰撞引起的正面撞击力较小,主要通过软料对靶材表面的摩擦刮削作用起到除去效果,此时宜采用较小的喷射角度以起到较好的去除效果；而采用硬性材料如玻璃微珠作为喷料时,玻璃微珠作为刚性材质自身应力变形非常小,作用力会更有效的直接传导到石材表面上,去除效果整体好于软性喷料,但同时操作的安全性也会降低。这时采用较大的喷射角度(75°以上)可以提高射流撞击力,加强清洗效果。另外,增加喷射压力和磨料颗粒粒径有利于被作用面受力的增大从而提高清洗能力,但过高的喷射压力和颗粒粒径的增大会导致射流的扰动性及其喷料粒子所受空气阻力的急剧增大,产生不必要的能量损失,同时还会影响文物清洗精细操作的实现故此这两项参数只能在特定范围的提升才能有效地增强去除能力,过犹不及。(3)完成微粒子喷射清洗针对石质文物实施的技术安全性评估及其控制参数测定工作。文物本体安全是所有保护技术在文物上实施的先决条件,本文以云冈石窟砂岩、花山岩画石灰为主要对象兼顾花岗岩和汉白玉等材质完成了石质文物常见石材的破损实验,通过微观显微形貌、质量损失及其外观改变参数测量,在国内首次综合评定了微粒子喷射清洗技术针对石质文物实施的技术安全性评估工作,并提出相关安全控制的基本保证条件及其参数设定值,消除了相关技术质疑及其领域偏见,为该技术在我国石质文物保护领域科学应用提供应用理论与技术支撑。研究结果显示：①微粒子射流对文物石材的主要破坏模式是喷料颗粒撞击石材表面引起石材表面发生弹脆性变形,当表面承受压力大于岩石耐受能力时岩石表面发生微破损而产生破坏。磨料硬度是微粒子喷射清洗安全性控制的首要因素,其直接影响破损的是否产生。采用莫氏硬度低于4的如海绵、核桃砂类软性磨料做为喷料时,由于软性磨料在碰撞岩石时应力变形发生在软料颗粒上,其去除效果以机械摩擦为主,基本不会导致常见文物石材的表面损伤,可以从根本上保证清洗过程中石质文物的本体安全,磨料硬度指标是安全控制的第一核心要素。采用莫氏硬度低于4的弹性软料,如海绵、玉米芯、核桃砂等是杜绝文物石材破损的首要保证条件。②喷射压力、喷射距离及其喷射角度等操作因素为微粒子喷射清洗安全性影响的二级影响参数,其对破损的程度及其形制构成影响。当采用硬度接近或超过岩石的硬性喷料磨如玻璃微珠等,在设备正常出砂的最低压力1.5bar时(此压力以下会导致喷嘴的堵塞),就会导致石材表面的破损与显微形貌的改变。在设备压力可调整范围内调整喷射压力变化自会对破损的程度构成影响,而不会从根本上杜绝损伤的发生；同样喷射操作距离的改变对破损的影响与喷射压力的影响一致,一般在30-50mm的有效操作距离内调整只能改变损伤程度,同样不能从根本上杜绝损伤的发生。喷射角度也是只能改变损伤面的形状及其质量损失量的变化,不能杜绝损伤的发生。③喷料粒径大小及其颗粒形状也会对石材的破损构成一定的影响,一般来说颗粒粒径越大,形状越不规则棱角越多,对石材的损伤越大。反过来说喷射清洗过程中选择较小的喷料颗粒或者表面圆滑的球丸性喷料有利于清洗操作安全性的提升；整体来说在控制安全方面各项操作参数的影响贡献排序为：磨料硬度喷射压力和颗粒大小颗粒形状和喷射角度。喷射清洗实施过程中建议尽量采用80目以下的软性喷料在适中的压力条件2—4bar下展开喷射清洗实施,以最大限度的保证石质文物本体的无损伤性。(4)完成典型污染物的适用性评估及其实施工艺参数筛选工作。通过污染物去除室内模拟实验及其户外标准区实验明确了微粒子喷射技术对各类常见典型污染物的去除能力,评估了喷射清洗的适用性,并给出不同种类污染物去除过程中的喷料选择及其工作参数设定的建议值,为该技术体系在石质文物保护领域的科学应用及其技术推广提供借鉴与指导。研究结果显示清洗作用主要是通过微粒子冲击导致污染层本身的磨损或污染层与石材表面直接剥离这两种主要作用形式来完成污染物去除的目的。污染物自身的性能及其与石材基底地的结合方式对污染物的去除效果有着直接的影响,室内实验及其标准区实验表明微粒子喷射清洗对各类常见污染物的去除效果及其实施工艺参数设置建议如下：①对于表面简单的积尘、土锈及其钙化结壳等无机形态的污染物,由于其污染物的硬度及结构强度一般小于岩石基底,去除时选择硬度小于石材基地软性喷射磨料(如海绵颗粒、核桃砂颗粒),就可在较小入射角度300-60°下,在石材基地无底损伤的前提下安全快速去除。清洗过程的喷射压力及其操作距离仅对清洗的快慢造成一定影响。②对于油污、墨迹、烟熏类等浸入式污染物,微粒子喷射清洗采用软性磨料仅对石材表面堆积的污染层具有减薄功效,而要彻底去除必须采用接近或者超过岩石基地的硬性磨料连同浸透层一同去除,但势必引起石材表面的损失。故此对于该类污染物仅建议采用软性磨料进行减薄处理以缓解或减轻污染,而不建议进行彻底清除。③对于油漆等现代有机涂层,由于其表面具有弹性,微粒子喷射清洗去除效果欠佳,只能用具备带有尖锐角度的磨料可对其进行一定的减薄处理,但会导致石质文物表面损伤。④对于表面微生物类污染物,由于生物层与石材介质之间存在明显酥松过渡层,采用软性磨料中带有尖锐角度的核桃砂颗粒作为喷料,在较小的入射角度30°-60°可在不伤及石材基底情况下快速去除。本论文的创新点如下：(1)采用CFD软件包Fluent工具建立了微粒子喷射清洗射流喷出模型,运用拉格朗日法和欧拉法计算了喷料砂粒——压缩空气射流的流动过程及其对靶材的撞击压力。并总结出各项喷射指标对射流压力的具体影响为微粒子喷射清洗技术引入文物保护领域奠定了理论基础；(2)通过石材破损显微形貌、外观改变及其质量损失综合分析,国内首次完成了石质文物最常见的石灰岩和砂岩材质微粒子喷射清洗的操作安全性评估工作,提出了微粒子喷射清洗技术针对石质文物实施的安全保证条件,并给出了具体的控制参数。填补了相关技术的空白,对健我国全石质文物保护技术体系,推动行业技术进步具有较高的理论和实际意义；(3)系统性地完成了我国石质文物表面常见污染物微粒子喷射清洗适用性研究,并给出了相应的最佳操作参数推荐设定值,并建立了相应的标准示范区,对以后相关的文物保护修复工作具有指导与借鉴作用。
【关键词】：文物 保护技术 石质文物 污染物 微粒子喷射清洗
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45;TU-87
【目录】：

• 摘要8-12
• ABSTRACT12-20
• 第一章 绪论20-35
• §1.1 引言20-22
• §1.2 选题依据和研究意义22-23
• §1.3 国内外研究现状及其分析23-32
• 1.3.1 石质文物保护基本原则及其对清洗技术的特殊要求23-26
• 1.3.2 石质文物清洗技术现状26-29
• 1.3.3 发展趋势及存在问题29-32
• §1.4 论文的主要内容及其研究路线32-35
• 1.4.1 要研究内容32
• 1.4.2 研究路线32-33
• 1.4.3 创新点33-35
• 第二章 石质文物表面污染物研究35-70
• §2.1 户外石质文物表面污染物调查35-44
• 2.1.1 云冈石窟表面污染物调查35-41
• 2.1.2 花山岩画表面污染调查41-44
• §2.2 石质文物表面污染物检测及其成因分析44-63
• 2.2.1 常见石质文物表面污染物检测分析44-58
• 2.2.2 石质文物表面污染物形成机理探讨58-61
• 2.2.3 污染物分类研究61-63
• §2.3 石质文物表面污染物影响及其去除必要性63-68
• 2.3.1 石质文物污染物对石质文物的影响63-67
• 2.3.2 石质文物表面污染去除必要性67-68
• §2.4 石质文物表面污染性质总结68-70
• 第三章 微粒子喷射作用机理及其喷射过程数字化模拟70-105
• §3.1 石质文物微粒子喷射清洗技术的界定及其技术特征70-71
• §3.2 微粒子喷射设备组成71-73
• §3.3 喷射清洗磨料的特征73-76
• 3.3.1 文物保护领域常用喷射清洗磨料73-74
• 3.3.2 喷射磨料性能74-76
• §3.4 微粒子喷射清洗作用模式及其影响参数76-79
• 3.4.1 微粒子喷射清洗去除基本模式76-78
• 3.4.2 微粒子喷射清洗的影响参数78-79
• §3.5 喷料粒子加速理论基础及其射流形制79-89
• 3.5.1 气流速基本理论及其喷嘴出口空气流速度的估算79-81
• 3.5.2 粒子加速基本规律及其喷嘴出口粒子速度变化趋势81-84
• 3.5.3 空气—粒子喷射流形制84-89
• §3.6 粒子喷射流喷出模型及其射流压力模拟计算89-103
• 3.6.1 模型描述及方程89-92
• 3.6.2 设计工况92-93
• 3.6.3 计算结果及分析93-103
• §3.7 本章小结103-105
• 第四章 石质文物微粒子清洗的安全性研究105-130
• §4.1 粒子冲击及其岩石表面的应力应变105-106
• §4.2 微粒子喷射前后形貌改变测量106-115
• 4.2.1 样块准备及其实验方法107
• 4.2.2 表面破损显微检测分析107-113
• 4.2.3 破损外观改变参数表征113-115
• §4.3 不同操作条件下的质量损失测量115-127
• 4.3.1 磨料硬度的影响115-120
• 4.3.2 喷射角度的影响120-121
• 4.3.3 喷料颗粒大小及其形状的影响121-124
• 4.3.4 喷射压力的影响124-127
• §4.4 结果分析及其结论127-130
• 4.4.1 数据结果讨论127-128
• 4.4.2 微粒子喷射清洗安全性研究结论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 不同污染的去除情况研究132-142
• 5.2.1 样块的加工及其污染的模拟132-133
• 5.2.2 具体实验过程及其结果133-142
• §5.3 现场综合实施案例142-152
• 5.3.1 花山岩画基本情况及工作目的142-143
• 5.3.2 花山岩画制作工艺143-144
• 5.3.3 花山岩画表面污染状况及分析144-148
• 5.3.4 花山岩画污染物去除实验148-149
• 5.3.5 花山岩画综合清洗实验结果分析149-152
• §5.4 本章小结152-154
• 第六章 结论与展望154-159
• §6.1 研究成果及其结论154-157
• §6.2 展望与不足157-159
• 致谢159-160
• 参考文献160-165

【参考文献】

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