黃繼忠，曹 鋮，2，張 悅，賀大龍，趙 朋，龔明權(quán)

(1. 上海大學(xué)文化遺產(chǎn)保護(hù)基礎(chǔ)科學(xué)研究院，上海 200444； 2. 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；3. 山西省古建筑與彩塑壁畫保護(hù)研究院，山西太原 030012； 4. 山西省古建筑工程監(jiān)理有限公司，山西太原 030012；5. 山西大同大學(xué)歷史與旅游文化學(xué)院，山西大同 037009)

0 引 言

中華民族在漫長歲月中創(chuàng)造并保留了大量磚石質(zhì)文物，但由于長期暴露于室外環(huán)境下，一系列物理、化學(xué)及生物風(fēng)化作用促使不同類型的病害綜合發(fā)育，文物的重要價值嚴(yán)重受損。影響磚石質(zhì)文物劣化的外界因素主要包括溫濕度、水、可溶鹽和污染物等，水是其中最關(guān)鍵的因素之一，其來源包括大氣降雨、地下毛細(xì)水及空氣凝結(jié)水。因此，明確磚石質(zhì)文物水分含量和運(yùn)移規(guī)律，是解決其風(fēng)化問題的首要任務(wù)[1]。

目前，含水率檢測主要應(yīng)用于材料性能評價、木材加工、食品驗(yàn)收及原油生產(chǎn)等多個領(lǐng)域，其測量方法分為直接法和間接法。直接法是指通過簡單的物理或化學(xué)方法去除材料中的水分，進(jìn)而檢測出絕對含水率值，主要包括稱重法、碳化鈣法和蒸餾法。這類方法存在檢測時間長，結(jié)果單一等問題，并且無法測得材料內(nèi)部水分的具體分布情況[2]。間接法則是基于材料與水分之間的光電性能差異進(jìn)行檢測，大多為無損檢測技術(shù)，因此更適用于珍貴且不可再生的不可移動文物現(xiàn)場測試[3-4]。例如：紅外熱成像技術(shù)根據(jù)水對不同頻段紅外線光譜的吸收強(qiáng)度差異來反映文物表層含水率大小[5]；核磁共振技術(shù)通過核磁信號強(qiáng)度曲線表征相對含水情況[6]；微電極無損檢測技術(shù)則是以文物材料內(nèi)部的視電阻率大小確定含水率高低。近年來，這些無損檢測技術(shù)在文物水分探測方面的實(shí)際應(yīng)用成果逐漸增多，但如何準(zhǔn)確、快速地評價文物內(nèi)部水分分布規(guī)律仍是被關(guān)注的一大話題。

1973年，美國學(xué)者Kraszewski首次提出將微波技術(shù)應(yīng)用于材料含水率檢測，至今已有幾十年發(fā)展歷程。英國公司Moisture Sensors成功將微波傳感器應(yīng)用于含水率測定，并將檢測精度提高至±0.1%。德國公司Coliy最新設(shè)計(jì)的微波水分測試儀幾乎適用于所有固體，且測量范圍更廣。利用微波技術(shù)進(jìn)行含水率檢測具有以下優(yōu)點(diǎn)：無損、檢測速度快、靈敏度高、對環(huán)境的敏感性較小。另外，微波能提供很好的穿透深度，可同時檢測材料表層及內(nèi)部含水率大小，相比紅外熱成像技術(shù)等更加優(yōu)越，但在文物保護(hù)領(lǐng)域尚未得到廣泛應(yīng)用?；诖?，本工作研究了微波技術(shù)在磚石質(zhì)文物含水率檢測方面的優(yōu)勢，通過開展室內(nèi)和現(xiàn)場檢測，全面獲取了文物內(nèi)部空間含水率分布情況，并結(jié)合其病害現(xiàn)狀初步開展了風(fēng)化成因分析。

1 微波技術(shù)與儀器

1.1 理論基礎(chǔ)

微波是頻率范圍在300 MHz～300 GHz的一類高頻電磁波，當(dāng)其與材料相互作用時，會呈現(xiàn)反射、吸收及透射等特性(圖1)。水分子是極性分子，在外加電磁場的作用下其運(yùn)動狀態(tài)會發(fā)生改變，同時伴隨著旋轉(zhuǎn)極化現(xiàn)象和能量消耗。這一能量損耗變化的過程通常采用介電常數(shù)來表征，大多數(shù)建筑材料的介電常數(shù)在1～5之間。而與之相比，水的介電常數(shù)較高，為80左右[7]。因此，水在微波波段呈現(xiàn)的特殊行為使利用微波技術(shù)檢測常規(guī)材料的含水率成為可能。

圖1 微波與材料的相互作用示意圖Fig.1 Schematic diagram of microwave interacting with material

材料含水率是指一定體積內(nèi)自由水質(zhì)量與材料質(zhì)量的比值，以化學(xué)鍵形式連接的結(jié)合水不在考慮范圍內(nèi)[8]。一般而言，材料含水率分為干基含水率w(dry)和濕基含水率w(wet)，其計(jì)算公式分別如下：

(1)

(2)

式中，mw為自由水質(zhì)量；md為干燥的基質(zhì)材料質(zhì)量。

在實(shí)際檢測材料含水率的過程中，應(yīng)嚴(yán)格設(shè)定微波入射波的頻率、功率等物理參數(shù)，避免對結(jié)果造成影響。若微波頻率較高，水分子之間存在很強(qiáng)的約束力，難以發(fā)生旋轉(zhuǎn)極化現(xiàn)象，介電損耗明顯；而微波功率過大，則會產(chǎn)生足夠熱量，從而導(dǎo)致材料中水分蒸發(fā)。

1.2 微波水分測定儀

本工作使用德國Hf sensor公司Moist 350B微波水分測定儀(圖2a)開展相關(guān)檢測。該儀器的微波發(fā)射頻率為2.45 GHz左右，發(fā)射功率小于1 mw，主要通過微波與材料接觸后的反射波振幅和相位變化來計(jì)算得到具體的干基含水率值[9]。該儀器的使用十分方便快捷，從發(fā)射微波、接收信號到含水率呈現(xiàn)，整個過程可瞬時完成。

Moist 350B微波水分測定儀配備了4個微波探頭，可滿足材料不同深度的含水率檢測，具體參數(shù)如表1所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，所得含水率反映的是材料表面至內(nèi)部某個深度這一特定體積范圍內(nèi)的平均值(圖2b)。

表1 微波探頭的檢測參數(shù)Table 1 Measuring parameters of microwave probes

圖2 微波水分測定儀(Moist 350B)Fig.2 Microwave moisture meter (Moist 350B)

為避免誤差，實(shí)際檢測時需注意以下幾點(diǎn)：1)待測材料厚度必須大于所用微波探頭的檢測深度，否則會導(dǎo)致入射波在材料界面處提前發(fā)生反射；2)待測材料表面應(yīng)光滑平整，避免其與探頭接觸不緊密而導(dǎo)入大量空氣，引起微波入射不充分；3)各檢測點(diǎn)之間應(yīng)保持一定距離，防止被測區(qū)域發(fā)生重疊。

2 文物含水率檢測方案

2.1 文物概況

長春玉皇廟位于山西省長治市長治縣蔭城鎮(zhèn)長春村，是山西省第五批省級文物保護(hù)單位(圖3)。廟宇整體坐北朝南，現(xiàn)存文物建筑七座，分別是戲臺(明)，山門(明)，鐘樓(明)，鼓樓(明)，正殿(宋、金、明)，大佛殿(明)和西耳殿(清)。長春玉皇廟歷經(jīng)數(shù)百年，已出現(xiàn)不同程度劣化，如磚石風(fēng)化、墻體開裂、墻面剝落、木質(zhì)結(jié)構(gòu)腐朽等。

圖3 長春玉皇廟Fig.3 Changchun Yuhuang Temple

磚、石是長春玉皇廟墻體的主要建筑材料，其保存狀況與整個建筑的穩(wěn)定性密切相關(guān)。前人已指出，這類巖土質(zhì)材料的劣化受環(huán)境因素尤其是水分的影響巨大?；诖耍竟ぷ鬟x取長春玉皇廟大佛殿東墻為研究對象(圖4)，借助微波技術(shù)檢測其內(nèi)部含水率的空間分布情況，同時結(jié)合現(xiàn)場勘察初步分析病害成因，以期為后續(xù)保護(hù)工程提供可靠數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

圖4 大佛殿Fig.4 Dafo Hall

2.2 室內(nèi)樣塊檢測

首先開展室內(nèi)試驗(yàn)，通過對比微波水分測定儀與傳統(tǒng)稱重法所得的材料含水率值，分析該無損檢測儀器的適用性和可靠性。待測樣塊為長春玉皇廟的青磚和云岡地區(qū)砂巖，其尺寸和形狀如圖5所示，箭頭所示為檢測深度方向(由表面到內(nèi)部)。

圖5 室內(nèi)檢測的青磚和砂巖樣塊Fig.5 Brick and sandstone samples for laboratory measurement

試驗(yàn)的具體操作步驟如下。檢查樣塊，確保待測表面平整光滑，防止對微波入射造成干擾。其次，將樣塊于105 ℃烘箱內(nèi)烘干24 h后拿出并放入密封容器中，待其冷卻至室溫后稱重，記錄完全干燥樣塊的質(zhì)量，并采用微波水分測定儀檢測其內(nèi)部的含水率分布情況。隨后，參照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將樣塊置于玻璃干燥器中注水淹沒并真空抽氣4 h，待其表面無氣泡冒出即認(rèn)為達(dá)到完全飽和。根據(jù)樣塊吸水前后的質(zhì)量變化可計(jì)算得到其飽和吸水率，并再次采用微波水分測定儀檢測不同深度的含水率。為避免材料非均質(zhì)性的影響，微波探頭的測點(diǎn)選擇樣塊的四角和中心部位，每個位置測量多次以減小誤差；5個測點(diǎn)的含水率平均值則最終視為樣塊整體的含水率值。

2.3 現(xiàn)場墻體檢測

現(xiàn)場檢測時間為2019年7月25日下午，天氣晴，氣溫24～33 ℃，期間無降雨。為避免砌縫導(dǎo)致的探頭接觸不良等影響，測點(diǎn)均選在平整的青磚表面。

如圖6a所示，大佛殿東墻外壁面的測點(diǎn)布置為5行7列，共計(jì)35個檢測點(diǎn)，其編號遵從“先列后行”，如“2-1”指第2列第1行的測點(diǎn)。行間距為0.4 m，列間距為0.6 m，最下1行距地面高度為0.3 m，第1列與第7列距墻面邊緣均為0.3 m。第1～4行測點(diǎn)對應(yīng)青磚材料，第5行測點(diǎn)對應(yīng)砂巖材料。

大佛殿東墻內(nèi)壁面的測點(diǎn)布置如圖6b所示，為3行5列，共計(jì)15個檢測點(diǎn)。行間距為0.5 m，列間距為1.0 m，最下1行距地面高度為0.2 m，第1列與第5列距墻面邊緣均為0.8 m。測點(diǎn)編號規(guī)律同上，且內(nèi)壁面均為青磚材料。

圖6 大佛殿東墻測點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of the measuring points on the eastern wall of Dafo Hall

3 結(jié)果與討論

3.1 室內(nèi)樣塊

微波水分測定儀針對樣塊含水率的檢測深度取決于其具體尺寸，即需保證樣塊厚度不小于所用微波探頭的穿透深度。

不同樣塊在完全干燥條件下的含水率檢測結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，針對4個完全干燥樣塊，微波檢測得到整體含水率值很小，基本在0.1%左右，最大不超過0.24%，該值在儀器誤差允許范圍內(nèi)，可認(rèn)為檢測結(jié)果與實(shí)際情況相符。

表2 完全干燥樣塊的含水率檢測結(jié)果Table 2 Moisture contents of samples after full drying (%)

不同樣塊在完全飽和條件下的含水率檢測結(jié)果如表3所示。稱重法結(jié)果表明，吸水后樣塊含水率顯著增加，青磚1和青磚2的飽和吸水率達(dá)到13.31%和14.9%。相比之下，由于砂巖樣塊孔隙率較小，其飽和吸水率值也較低，僅為3%左右。對比微波法與稱重法所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者基本吻合，具有很好的一致性。此外，微波法還能揭示出樣塊不同深度含水率的微小變化，如隨著深度增加，砂巖1含水率表現(xiàn)為表面高內(nèi)部低，而砂巖2含水率則呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。這可能與材料內(nèi)部的非均質(zhì)性或局部缺陷(砂巖1表面附近有肉眼可見裂隙)有關(guān)，即層間含水率差異是由材料局部持水能力不同或微波穿透過程受到干擾引起的。

表3 完全飽和樣塊的含水率檢測結(jié)果Table 3 Moisture contents of samples after full saturation (%)

總體而言，微波水分測定儀能較為準(zhǔn)確、可靠地檢測出磚、石質(zhì)材料的含水率，結(jié)果具有分析與參考價值。

3.2 現(xiàn)場墻體

圖7為大佛殿東墻外壁面不同深度含水率分布情況，可以看出外壁面含水率受深度影響顯著，整體隨深度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。墻體淺表層2 cm處的平均含水率為3.98%，最大值達(dá)到8.5%，其表面濕度較大，這與幾天前的降雨有直接關(guān)系(7月20日～7月22日)。但墻體內(nèi)部平均含水率不超過1%，說明表面水分未明顯滲入。

另外，分析含水率隨高度的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，墻體在檢測深度5～10 cm范圍內(nèi)幾乎完全干燥，而淺表層2 cm與深部25 cm處的含水率由底部向上逐漸降低。淺表層的潮濕區(qū)域集中在距地面0.7～1.1 m高度處(第3～4行檢測點(diǎn))，最高可達(dá)到1.5 m，而深部的潮濕區(qū)域主要出現(xiàn)在距地面0.3～0.7 m處(第4～5行檢測點(diǎn))。

如前所述，外壁面檢測區(qū)域包括2種建筑材料，以距地面0.6 m處為界，上部為青磚(第1～4行檢測點(diǎn))，下部為砂巖(第5行檢測點(diǎn))。砂巖的介電常數(shù)為1.1～2.2，青磚的介電常數(shù)為1，兩者對微波的吸收能力幾乎相同[4]。因此，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂巖區(qū)域整體含水率略高于青磚區(qū)域，表明墻體底部一定程度上受到了毛細(xì)水上升的影響。

圖7還顯示，墻體檢測區(qū)域內(nèi)存在局部含水率異常點(diǎn)，如測點(diǎn)1-3、測點(diǎn)3-4與測點(diǎn)7-3對應(yīng)位置。根據(jù)現(xiàn)場肉眼觀察可發(fā)現(xiàn)，這些位置的青磚已發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)化，磚塊之間存在明顯裂隙且較周圍更加潮濕。局部含水率偏高現(xiàn)象在2～5 cm深度范圍內(nèi)均有所體現(xiàn)，可初步推斷開裂病害在墻體內(nèi)有一定程度的發(fā)育，但具體情況仍需結(jié)合其他檢測技術(shù)開展進(jìn)一步探究。

圖7 大佛殿東墻外壁面不同深度含水率分布圖Fig.7 Moisture content distribution at different depths of the exterior surface of the eastern wall of Dafo Hall

圖8為大佛殿東墻的空間含水率分布圖，對比內(nèi)、外壁面的檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁面各深度處的含水率平均值均高于外壁面相同深度處的值。大佛殿東墻整體厚度較大，故內(nèi)、外壁面的檢測區(qū)域并不存在重復(fù)性。這可能是由于室內(nèi)的光照弱、通風(fēng)差，造成墻體內(nèi)壁面的水分蒸發(fā)更加緩慢。

圖8 大佛殿東墻空間含水率分布圖Fig.8 Spatial distribution of moisture content of the eastern wall of Dafo Hall

與外壁面不同深度的含水率分布規(guī)律類似，內(nèi)壁面也表現(xiàn)出含水率在墻體淺表層2 cm處最高，其值隨著深度增加而逐漸降低；墻體底部含水率高于上部，表明其可能受到毛細(xì)水作用。如圖9所示，墻體底部磚塊顏色加深且結(jié)構(gòu)相對疏松，表明其風(fēng)化程度更為嚴(yán)重。另外，微波檢測結(jié)果顯示墻體內(nèi)壁面左側(cè)含水率大于右側(cè)，現(xiàn)場以肉眼觀察該區(qū)域可發(fā)現(xiàn)大面積水漬造成的青磚顏色加深(圖9)。這可能與大佛殿后墻外(北側(cè))地勢更高，導(dǎo)致該區(qū)域更容易匯水有關(guān)。

圖9 大佛殿東墻內(nèi)壁面病害Fig.9 Diseases on the interior surface of the eastern wall of Dafo Hall

3.3 含水率無損檢測方法對比

目前文物材料的含水率無損檢測主要采用紅外熱成像技術(shù)、便攜核磁技術(shù)及微電極測深技術(shù)來完成。紅外熱成像無損檢測原理是通過接收材料的紅外輻射并轉(zhuǎn)化成可識別圖像形式呈現(xiàn)出來，因此材料的含水率不同時其表面溫度也存在顯著差異。圖10為不同青磚的紅外熱成像圖，完全干燥樣塊的表面溫度接近于空調(diào)制冷條件下的室內(nèi)氣溫(23.6 ℃)，而完全飽和樣塊則趨近于水溫(25.8 ℃)。很明顯，紅外熱像儀能區(qū)分文物表面溫度的“冷區(qū)”和“熱區(qū)”，進(jìn)而快速判斷出含水區(qū)域[10]。該技術(shù)具有不需要人工熱輻射源，靈敏度高，工作速度快等優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是僅反映了材料表面的溫度情況，難以定量表征含水率的具體值，并且無法獲取水分的內(nèi)部空間分布。

圖10 不同青磚的紅外熱成像圖Fig.10 Infrared thermal image of different brick samples

便攜核磁技術(shù)和微電極測深技術(shù)也得到了文物工作者的重點(diǎn)關(guān)注。周華等[11]采用低場核磁技術(shù)對磚石材料進(jìn)行了含水率分析。結(jié)果表明，核磁共振FID曲線所圍成面積與被測物體的含水量存在正相關(guān)函數(shù)關(guān)系。李宏松等[12]利用微電極測深技術(shù)對云岡石窟文物近表面(4 cm)的微構(gòu)造、風(fēng)化帶及含水程度進(jìn)行了精細(xì)成像測試，有效評價了文物近表面的含水情況。以上2種無損技術(shù)雖然能判斷出文物含水率的整體變化趨勢，但均存在不足：核磁設(shè)備體積大、價格昂貴，現(xiàn)場測試以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量大；微電極測深系統(tǒng)單次可檢測的面積和深度范圍均十分有限，無法快速獲取大型文物的空間含水率分布信息，且材料的結(jié)構(gòu)、成分等其他因素也會對視電阻率值造成影響，數(shù)據(jù)分析存在一定難度。

微波因其寬頻帶、分辨率高、抗干擾強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)很快被研究者們熟知并加以應(yīng)用。研究結(jié)果表明，利用微波技術(shù)檢測磚石質(zhì)材料的含水率確實(shí)具有可行性，微波水分測定儀能快速、準(zhǔn)確地反映材料內(nèi)部不同深度的含水情況，并以三維圖像形式呈現(xiàn)，結(jié)果更加直觀(圖8)。目前，文物的含水率檢測仍是一大難題，微波技術(shù)的應(yīng)用與推廣具有重要意義。

4 結(jié) 論

本研究以磚石質(zhì)文物——長春玉皇廟為對象，通過開展室內(nèi)和現(xiàn)場檢測，研究了微波技術(shù)在磚、石材料含水率檢測方面的適用性和可靠性，并通過與其他幾種無損檢測技術(shù)對比，分析了微波技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，主要結(jié)論如下：

1) 微波技術(shù)檢測得到的青磚、砂巖樣塊含水率與傳統(tǒng)稱重法結(jié)果基本一致；

2) 微波技術(shù)可揭示大佛殿東墻內(nèi)部含水率隨墻體深度和高度的變化，該空間含水率分布規(guī)律與文物所處環(huán)境、自身病害等密切相關(guān)；

3) 在文物含水率檢測方面，微波技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)、快速、便捷、高效、準(zhǔn)確，應(yīng)用價值高，適用功能性更強(qiáng)。

總之，采用微波技術(shù)檢測文物含水率能為其病害機(jī)理分析及修復(fù)方案制定等相關(guān)保護(hù)工作提供一定的科學(xué)依據(jù)，值得進(jìn)一步探索與研究。

致 謝：本次科研項(xiàng)目得到山西省古建筑保護(hù)研究院李士杰經(jīng)理等人的幫助，現(xiàn)場檢測工作在章云夢、鄭伊、趙恒宇、趙文冠等同學(xué)協(xié)助下完成，在此一并表示衷心感謝。