一种石质文物浅表层风化程度的定量评价方法及装置

本发明涉及文物检测，特别涉及一种石质文物浅表层风化程度的定量评价方法及装置。

背景技术：

1、受文物遗产保护特殊性约束，石质文物检测优先采用无损、微损检测手段。目前行业常用的现场检测设备包括超声波波速仪、硬度计、回弹仪、便携式x射线荧光光谱仪、拉曼光谱仪、傅里叶红外光谱仪等。但上述仪器在实际现场检测中均存在明显局限性：超声波波速仪、硬度计对被测表面平整度要求高，风化后的石质文物表面凹凸起伏，探头难以有效耦合，检测数据漂移严重；严重粉化脱落的岩屑甚至会侵入仪器内部，造成设备损坏。回弹仪检测需要贯入岩石表层，而风化后岩石孔隙率大幅升高，弹性模量、泊松比与仪器标定的混凝土基体差异巨大，测量结果可信度低。便携式xrf、拉曼、ft-ir等光谱类仪器购置成本高，操作门槛高，需要操作人员经过专业培训，检测结果容易受人为操作、表面杂质干扰，不利于开展大范围多点位普查。

2、胶带剥离试验自上世纪60年代引入文物保护领域，凭借操作简便、成本低廉、微损的优势，被广泛用于石质文物表面风化以及加固效果评估。该试验通过压敏胶带粘贴文物表面后揭取，称量胶带上粘附的岩石碎屑，以此反映岩石表层粉化风化水平。现有研究已经提出胶带剥离试验操作规范，但是传统现场测试依靠操作人员拇指直接按压胶带施加压力，施压大小、按压时长完全依赖操作人员主观经验，不同人员操作条件不一致，测试数据离散度大，试验结果的重复性、可比性较差。

3、为克服人工手动施压缺陷，现有技术已经出现部分标准化施压改进方案。申请号cn201510192097.5专利公开了一种无机非金属材料表面粉化定量测定方法，采用碾压滚轮自重对胶带往复碾压，该方案没有对作用力进行量化，也没有考虑石质文物表面凹凸起伏对胶带贴合效果的影响。还有现有文献将袖珍贯入仪改造作为施压工具，采用刚性压头进行施压；但石质文物风化表面高低不平，刚性压头会形成点接触或者线接触，胶带无法与凹陷部位充分贴合，实际有效接触面积远小于胶带标称面积，引入较大系统误差。

4、综上，现有胶带剥离测试手段仍然存在压力不可定量复现、难以适配文物凹凸起伏岩面、有效接触面积不确定的问题，制约了胶带剥离试验在石质文物原位风化定量评价中的推广应用，亟需开发一套标准化、可量化的微损测试方法以及配套专用施压装置。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例希望提供一种石质文物浅表层风化程度的定量评价方法及装置，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。

2、为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种石质文物浅表层风化程度的定量评价方法，包括如下步骤：

3、（1）采用预先给定的压敏胶带和带网格标记的方格纸，制作规格统一的取样器，将取样器放入自封袋；制作统一规格取样器目的是保障每组试验的接触面积、胶带粘接条件保持一致，消除取样器个体差异带来的系统误差，自封袋用于取样器存放，防止取样器胶带面提前沾染杂质粉尘；

4、（2）试验前采用精度不低于0.1毫克的精密天平，测量每个取样器以及对应自封袋的总质量；石质文物剥离得到的风化碎屑质量处于毫克量级，选用该精度天平，保障本底质量称量的准确度，为后续碎屑质量差计算提供可靠的基准数据；

5、（3）对待检测石质文物表面开展现场勘察，记录石质文物浅表层风化情况以及试验环境的温度、湿度，确定压敏胶带的粘贴测试位置；记录现场风化状态与温湿度，用于后续数据溯源比对，温湿度会影响压敏胶带粘性以及岩石表层松散颗粒状态，便于分析环境因素对试验结果的干扰，选择合适测试点位保证检测结果能够反映该区域真实风化水平；

6、（4）取出取样器粘贴至待测石质文物表面，采用压力施加装置向取样器表面施加设定大小的作用力并维持设定时长；达到设定时长之后，以不大于15°的揭取夹角，平稳缓慢揭取取样器；采用专用压力施加装置，实现作用力大小、保压时间的可控复现；限定较小揭取夹角，目的尽量实现近似水平剥离，减少撕扯角度过大造成胶带翘曲、碎屑非正常脱落丢失，保障剥离下来的岩屑全部留存于胶带粘接面；

7、（5）将揭取完成、粘附有岩石碎屑的取样器放回自封袋并密封，完成单次胶带剥离试验；密封自封袋，避免转运过程中岩石碎屑振动掉落，防止样品损耗，保证碎屑称量结果真实可靠；

8、（6）在同一测试位置重复执行步骤（4）至步骤（5），直至达到预设试验次数；同一位置多次重复试验，降低单次操作偶然误差，通过多组样本统计结果提升评价结果的可靠性；

9、（7）将全部取样器带回实验室，称量粘附有岩石碎屑的取样器连同自封袋的总质量m，按照公式计算单个取样器所粘附的岩石碎屑质量；利用前后质量差值扣除取样器与自封袋本底重量，直接得到剥离获得的风化碎屑的净质量；

10、（8）计算同一测试位置多次试验得到的脱落碎屑质量平均值；采用完全相同的试验操作，对同岩性未风化岩石开展对照试验，获取未风化岩石对应的脱落碎屑质量平均值；设置同岩性未风化岩石对照组，用于扣除胶带自身剥离、岩石本体质点脱落带来的本底干扰，排除材料本身对风化评价结果的影响；

11、（9）根据和，按照公式计算石质文物浅表层风化程度指标；构建无量纲风化指标，消除岩性、胶带批次带来的基准差异，便于不同点位、不同遗址之间横向对比风化强弱。

12、作为本技术方案进一步优选的，步骤（3）中选取的胶带粘贴测试位置为石质文物干燥表面，该位置能够代表周边区域的风化状态；试验前采用软刷清扫测试位置，清除表面浮尘；实验室对照试验所使用的未风化岩石试样预先做烘干或者风干处理；潮湿岩面会改变压敏胶带粘接性能，同时浮尘不属于岩石本体风化脱落颗粒，提前清扫、选用干燥测试面，规避外来浮尘、水分对碎屑称量结果的干扰；对照试样烘干/风干，统一对照组试样含水率，保证对照组试验条件与现场测试具备可比性。

13、作为本技术方案进一步优选的，步骤（4）中所述压力施加装置，包括便携式数显压力计、位移限制器、定制模具以及弹性缓冲层；

14、所述便携式数显压力计用于输出并显示施加压力；实现压力可视化读数，摆脱人工主观估压，实现压力条件可复现；

15、所述位移限制器用于限定压力计轴向压入深度，以此控制输出作用力大小；依靠机械限位锁定最大下压行程，避免人手施力大小波动，保证每一次测试实际施加作用力保持一致；

16、所述定制模具用于将压力计输出的外力均匀传导、分配至取样器整个表面；改变单点施力模式，将集中载荷转化为面载荷，让取样器整体受力均匀；

17、所述弹性缓冲层发生局部差异化压缩变形，自适应匹配岩石表面起伏形貌。针对石质文物风化表面凹凸不平的特点，补偿岩面高度差，解决刚性压头点接触问题，提升胶带与岩面的有效接触面积。

18、作为本技术方案进一步优选的，压力施加装置的操作方式为：将压力施加装置垂直放置于取样器上方，匀速下压直至达到预设压力数值，保持压力至设定时长之后匀速卸载；施压过程中弹性缓冲层跟随岩石表面形貌发生局部压缩形变，使压敏胶带与凹凸岩石表面充分贴合。垂直下压避免侧向剪切力，匀速下压、匀速卸载，减少冲击载荷，保证压力平稳施加；借助缓冲层形变，使胶带跟随岩面轮廓贴合，提高剥离取样的有效性。

19、作为本技术方案进一步优选的，所述压力施加装置的施压工作面尺寸不小于取样器的外形尺寸，保证作用力完整覆盖取样器区域。设置目的：防止模具工作面小于取样器，造成局部区域缺失压力，避免胶带部分区域粘接压力不足，保证全部测试区域受力条件统一。

20、作为本技术方案进一步优选的，步骤（4）中，施加的设定作用力为30n，压力维持的设定时间为60s。该参数为经过试验验证的优选工艺条件，既能够保障胶带与岩面充分粘接，又不会对脆弱风化文物表层造成额外破坏，兼顾取样效果与文物安全。

21、作为本技术方案进一步优选的，步骤（6）同一测试位置重复剥离试验的次数不少于8次；试验完成后对称量数据进行预处理，剔除异常离散数据之后再计算脱落碎屑质量平均值。多次取样提升统计样本量，剔除操作、称量带来的异常离群点，降低偶然因素对最终计算结果的干扰，提升定量评价的稳定性。

22、作为本技术方案进一步优选的，根据计算得到的风化程度指标d划分风化等级；d数值越大代表石质文物浅表层风化越严重，d数值越小代表石质文物浅表层风化越轻微。实现指标数值到风化病害等级的转化，方便文物保护人员直观判别病害发育程度，服务保护方案研判。

23、另一方面，本发明还提供了一种石质文物浅表层风化程度的定量评价方法的压力施加装置，包括便携式数显压力计、位移限制器、定制模具以及弹性缓冲层；

24、所述便携式数显压力计设置可轴向伸缩的施力杆，用于输出并实时显示施加的压力；实时反馈压力数值，为调试、确认预设压力提供直观参考；

25、所述位移限制器套装于施力杆外部，用于限制施力杆轴向压入行程，限定最大施压深度；采用机械限位结构，不需要复杂电控，野外现场环境下可靠锁定下压行程，规避人手施力过大带来条件不一致；

26、所述定制模具装配于施力杆输出端，用于将压力均匀分散传递至取样器；把施力杆的集中点载荷转化为面载荷，实现取样器全域均匀受压；

27、所述弹性缓冲层布置在定制模具的施压工作面，施压时发生局部压缩变形，适配石质文物表面的凹凸起伏。缓冲层随岩面发生非均匀压缩，弥补岩面凹凸高差，提升胶带实际有效接触面积，减小系统测试误差。

28、作为本技术方案进一步优选的，所述位移限制器为套筒式限位构件，位移限制器的轴向长度根据预设压力下施力杆的缩进量确定；位移限制器与压力计本体相抵时，施力杆达到预设压入深度。套筒式限位构件结构简单、便携，依靠物理抵接实现行程锁止；根据标定得到的缩进量加工套筒长度，保证每次下压均可达到目标作用力，实现试验条件的标准化复现。

29、本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

30、第一，实现施压过程量化可控，消除人为操作带来的试验离散误差。本发明摒弃传统人工拇指按压的操作模式，借助便携式数显压力计实现压力数值可视化输出，配合位移限制器限定压入深度，能够复现每次测试的施压大小与保压时长，统一试验边界条件，使多组现场测试结果具备良好的重复性和横向可比性。

31、第二，可自适应石质文物表面凹凸起伏形貌，提升胶带有效接触面积。本装置在定制模具工作面设置弹性缓冲层，施压过程中依靠缓冲层局部差异化压缩变形，适配岩石表面高低起伏，解决刚性压头仅局部接触带来的胶带贴合不全的缺陷，显著提升胶带与被测岩面的实际有效接触面积，保障剥离取样结果的真实性。

32、第三，属于微损检测手段，符合文物保护最小干预原则。本方法仅剥离石质文物表面已经松散的颗粒碎屑，不破坏岩石本体结构，不引入各类化学试剂，测试完成后文物表面无肉眼可见残留痕迹，可直接应用于石窟、石刻等珍贵石质文物原位现场检测，对粉化、盐析类脆弱风化表层同样具备使用安全性。

33、第四，设备成本低廉，现场作业便捷。整套检测无需大型精密分析仪器，核心耗材仅为压敏胶带与方格纸；整套施压装置便携轻便，单人即可完成现场全部取样操作，降低现场检测门槛，适合大面积、多点位批量普查。

34、第五，设置同岩性未风化岩石对照组，建立客观可量化的风化评价指标d。通过对照试验消除胶带本身固有剥离碎屑带来的系统偏差，以风化程度指标d定量表征浅表层风化强弱，规避仅依靠碎屑绝对质量评价的局限性，便于不同遗址、不同点位之间横向对比风化病害发育程度。

35、第六，设置重复试验与异常数据剔除流程，进一步提升数据抗干扰能力。同一点位多次重复剥离取样，对试验数据做预处理剔除离散异常点，降低称量、现场操作偶然误差对评价结果的干扰，进一步提高评价结果稳定性。

36、第七，硬件结构简单可靠，位移限制器采用套筒限位结构，不需要复杂电控逻辑，依靠机械结构即可锁定最大压入行程，野外现场环境下稳定性强，不易发生故障。

37、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。