一种快速测算石质文物过火温度的方法

技术领域

本发明涉及石质文物过火温度分析技术领域，具体涉及一种快速测算石质文物过火温度的方法，用于在石质文物发生火灾后快速评价当时的过火温度。

背景技术

我国是一个拥有数千年文明的文化古国，在这千年的历史长河中留下了数量众多珍贵 的石质文物。自古以来，火灾始终是文物保护的一个巨大威胁。在历史上许多建筑由于火 灾的而受损甚至毁于一旦，虽然现代技术的帮助使得火灾发生的可能性大为降低，但是火 灾的发生依然不可避免。

既然火灾不可避免，则采用科学的方法做好预研究，在火灾发生后可以快速准确地评价石质文物不同部分的受损程度，从而快速制定抢修方案以减小损失成为一个重要的课题。火灾发生后，人们通常关心的问题是火灾对岩石构件或结构稳定性造成的影响。首先要回答岩石的过火温度以及发生火灾之后岩石的工程特性。

当然，火灾发生前就建立石质文物的火灾监测系统是很有效的方法，但是需耗费大量经费；实际上石质文物发生火灾的概率极小，即使设立了火灾监测系统，大部分都会闲置甚至废弃，并且真正发生火灾时，大火的高温灼烧也会破坏监测系统。所以，亟需一种在火灾发生后确定岩石过火温度的方法，目前，尚未有相关研究或专利提出在火灾发生后确定岩石过火温度的方法。另外，石质文物的文物属性导致所取样品的尺寸受到限制，即只能允许在文物本体上取得较小的样品进行试验测试。

因此，亟需发明一种能够根据少量的样品测试就可用于火灾灾后石质文物建筑石材过火温度快速测量的方法，为文物修复方案的制定提供参考。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，该概述并不是关于本发明的穷举性概述，它并非意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为后文的具体实施方式部分的铺垫。

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于基于高温对某种岩石材料的作用和建立定量化的微观与温度之间的关系，提供一种适用于火灾灾后的石质过火温度的测量方法。

为实现上述目的，本发明基于如下两个认识:(1)相同地点的同种岩石的矿物成分和形态、物理和力学性质、以及耐高温性质基本相同；(2)某一处石质文物所使用的建筑石才种类通常为一种或者有限的几种，使得对该石质文物材料的精细化研究具有可操作性。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种快速测算石质文物过火温度的方法，包括如下步骤：

步骤10，确定用于建造石质文物的石材种类和采集地；

步骤20，在同一采集地获取与石质文物同种类的新鲜岩石样品；

步骤30，采用所得到的新鲜岩石样品制备实验样品；

步骤40，对实验样品分级加热至不同的目标温度进行热处理；

步骤50，对每一级目标温度热处理后的实验样品进行细观参数测量，建立细观参数与温度之间的相关关系，并将石材种类、采集地，以及细观参数的测量数据与温度之间的相关关系汇总形成数据对应关系表；

步骤60，当实际火灾发生时，在石质文物过火区域内不同的位置取样岩石小样品，使用与步骤50相同的方法测量岩石小样品的细观参数值，然后根据所建立的数据对应关系表反算取样位置经历的过火温度。

作为一种优选实施方式，根据石质文物的技术文件或者建造记录等确定石材的种类和采集地；优选地，确定石质文物所用石材子类过程中，采用历史文献记录和岩石学特征相结合的方法；岩石学特征包括岩石结构、构造、颜色、成分以及各成分的含量，还包括填隙物、胶结物等。

作为一种优选实施方式，步骤20中，对采集地的采坑内不同地层均采集各个典型子类的岩石作为新鲜岩石样品，以正确匹配石质文物所用岩石材料。

作为一种优选实施方式，步骤40中，对实验样品加热的目标温度应达到1000℃以上；优选地，加热的目标温度应等量分级增加；优选地，加热的目标温度为室温、200℃、400℃、 600℃、800℃、1000℃；优选地，升温和降温速率一般不超过10℃每分钟，到达目标温度后应保持温度2小时以上。

作为一种优选实施方式，步骤40之后还具有步骤41，分析实验样品的矿物成分，具体为：

比较热处理后实验样品的矿物成分和未加热样品的矿物成分；

根据矿物成分结果判断主要组成矿物是否发生矿物相变；

对于未发生矿物相变的继续留用，已发生矿物相变的则表明矿物性质急剧劣化，不可继续使用；

优选地，矿物成分的分析方法采用粉末XRD方法。

作为一种优选实施方式，步骤50中，测量的细观参数包括颗粒尺寸分布和线裂纹密度；优选地，颗粒尺寸分布和线裂纹密度采用拍摄的显微照片来确定；优选地，采用偏光显微镜在反射模式和单偏光下对偏光片拍照；优选地，偏光片所采用的厚度为造岩矿物晶体直径的10至20倍，磨片前先注入树脂进行固定。

作为一种优选实施方式，颗粒尺寸分布的测量具体为：

对于如花岗岩等颗粒边界明显的多晶体岩石，直接使用二值化图像或灰度图像后进行统计；

对于如大理岩等颗粒边界不太明显的单晶体岩石，采用下列步骤：

调节照片的亮度和对比度，强化颗粒边界，使得原始图像中的颗粒边界变得明显；

提取颗粒边界网格；

把图像转换成灰度图像，用不同的颜色填充颗粒边界所围成的颗粒；

统计填充色块颗粒的颗粒数目、平均粒径和颗粒面积；

优选地，所述颗粒尺寸分布拟合结果得到尺度参数μ和加热温度T之间满足如下相关关系公式：

μ＝0.073T-89.712(R

其中R

作为一种优选实施方式，线裂纹密度的统计步骤具体为：

于所拍摄偏光显微照片上建立一个透明新图层，用宽度与照片中裂纹宽度接近的曲线在该图层上描出裂纹，得到裂纹网络；

导出含有裂纹网络的图层，得到一个仅含有裂纹网络的图像；

计算图像中所有裂纹占有的面积，用该面积除以裂纹的宽度得到裂纹的总长度，量纲为[L]；

裂纹总长度除以图像的总面积得到线裂纹密度，量纲为[L

优选地，所述线裂纹密度ρ随着加热温度T的演化遵循线性关系，线性关系满足如下公式：

ρ＝2.149×10

其中R

作为一种优选实施方式，步骤60中，在过火区域的石质文物上取岩石小样品，分析岩石种类，以对应数据对应关系表中的种类；通过分析小样品的细观参数，根据对应岩石种类的数据对应关系反算过火温度。

作为一种优选实施方式，步骤60中，所述取样岩石小样品为毫米级石质文物小样品，具体为取过火导致的石质文物剥落的小样品，或者从石质文物表层钻取毫米级岩石小样品。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明根据高温对某种岩石材料的作用和定量化的微观与温度之间的关系，通过预先的大量实验和分析并且建立数据对应关系表，可以在火灾发生后，科学地快速测量不同部分石质文物的过火温度，为修复和重建过程中的方案制定提供支持。本发明评价快速，应用广泛。具体而言，本发明至少具有如下实际效果：

(1)本发明可以在火灾发生前基于石质文物同种石材细观参数、温度及其相关关系的预先研究，在火灾灾害发生后能够根据研究结果迅速地判断过火温度；

(2)本发明所述测量方法基于石质文物小样品，只需要从石质文物上取出少量的样品，对文物损害小；

(3)本发明所述方法能够根据细观参数反推得到石质文物过火范围内各个部位的过火温度；

(4)本方法取样体积小，避免了取大块样品时导致将不同过火温度后的样品产生的差异归入“误差”之中，测试结果更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为本发明一个实施例的快速测算石质文物过火温度的方法流程图；

图2为本发明一个实施例的青白石与汉白玉在北京天坛的石质文物中运用部位示意图；

图3为本发明一个实施例的不同温度热处理后偏光显微图，其中图a、b、c、d分别为25℃、200℃、400℃和600℃处理后的样品；

图4为本发明一个实施例的颗粒分割方法中提取矿物边界网格示意图；

图5为本发明一个实施例的颗粒分割方法中晶体颗粒色块填充示意图；

图6为本发明一个实施例的微裂纹网格提取示意图；

图7为本发明一个实施例的不同温度处理后的样品颗粒粒径分布曲线示意图；

图8a为本发明一个实施例的尺度参数与温度关系图；

图8b为本发明一个实施例的线裂纹密度与温度关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

岩石材料通常主要由一种或者几种矿物经过一定的地质作用后形成。同种石材通常具有一致的矿物成分，且岩石形成过程中经历相同的地质历史，因此该种岩石物理力学性质相对均一，受高温作用之后的性质变化程度也接近。

岩石材料经受高温作用后其细观特征将发生改变，这种改变通常分为两个阶段：(1) 在岩石材料所受的最高温度没有超过岩石主要组成矿物的临界温度时，细观性质的改变处于物理变化范围之内，如由于矿物晶体颗粒的各向异性膨胀和收缩造成的颗粒间胶结破坏、颗粒局部破碎、晶体间微裂纹和晶体内微裂纹的产生和扩展；(2)当岩石材料所受的最高温度超过岩石主要组成矿物的临界温度时，细观性质的改变除(1)所述的物理变化之外还会发生化学变化，如矿物晶体的分解和重结晶，这个过程导致矿物晶体自身的力学性质发生剧烈改变；同时化学变化过程中的产物还会加剧物理变化的程度，如矿物分解产生的高压气体逃逸过程进一步促进微裂纹的产生和扩展。不同温度下晶体颗粒性质、尺寸的变化以及微裂纹的数量有差异。选取合适的细观参数表征细观性质的变化并且建立细观参数与温度之间的关系为我们提供了一种基于细观参数评估过火温度的新方法。

基于上述原理，如图1，本发明提供一种快速测算石质文物过火温度的方法，包括如下步骤：确定用于建造石质文物的石材种类和采集地；在同一采集地获取与石质文物同种类的新鲜岩石样品；采用所得到的新鲜岩石样品制备实验样品；对实验样品加热至不同的目标温度进行热处理，对每一级目标温度热处理后的实验样品进行细观参数测量；建立温度与细观参数之间的相关关系，并将相关关系汇总形成数据对应关系表；当实际火灾发生时，在石质文物过火区域内不同的位置取样岩石小样品，使用与此前相同的方法测量岩石小样品的细观参数值，然后根据此前所建立的数据对应关系表反算取样位置可能经历的过火温度。该方法适用于石质文物火灾灾后过火温度的快速评估，由预先建立数据对应关系表和灾后石质文物小样品细观参数即可快速测算和评估过火温度，用以解决现有的火灾灾后文物石材受损程度评价困难的问题，为灾后制定抢修方案提供参考依据。该方法基于石质文物小样品，取样体积小，对文物损害小，应用广泛。

下面参照附图对本发明的技术方案进行具体阐述。

本发明通过一个实施例阐述该种快速测算石质文物过火温度的方法。本实施例采用北京地区的大理石石质文物，以天坛为例，按照如下步骤进行：

步骤10，确定用于建造石质文物的石材种类和采集地；

本步骤中，根据石质文物的技术文件或者建造记录等确定石材的种类和采集地；优选地，确定石质文物所用石材子类过程中，采用历史文献记录和岩石学特征相结合的方法；岩石学特征包括岩石结构、构造、颜色、成分以及各成分的含量，还包括填隙物、胶结物等特征。

本例中，根据马庆澜于1928所著《房山县县志》，北京石质文物其所用石材主要是采用北京西南房山大石窝镇的大理岩。高林志等(2010)研究发现北京大理岩的岩石所属地层为蓟县系前寒武纪雾迷山组的碳酸盐岩层。

根据对天坛石质文物的实地勘察和矿物分析，发现石质文物所采用的北京大理岩主要为两个子类，一般采用子类青白石作为建筑的承力构件，采用子类汉白玉作为精雕和装饰构件(如图2所示)。

步骤20，在同一采集地获取与石质文物同种类的新鲜岩石样品；

本步骤中，对采集地的采坑内不同地层均采集各个典型子类的岩石作为新鲜岩石样品，以正确匹配石质文物所用岩石材料。

为清楚描述本专利所述方法，本实施例采用用于精雕和装饰构件的汉白玉材料为例，到北京房山大石窝采集了与石质文物所用相同的汉白玉石材，于后续步骤中进行阐述。

在本步骤中，为了尽可能地减少不同实验样品之间带来的误差，后续步骤所用的样品均取自一整块大致尺寸为300×400×150mm

步骤30，采用所得到的新鲜岩石样品制备实验样品；

根据不同的实验目的准备样品(表1)，样品准备好后放置在一间有空调的房屋中一周，房屋的温度为25℃，相对湿度为35％。然后在烘箱中在65℃的条件下烘干48小时。在烘干后，样品装入塑料密封袋中，在实验之前密封保存。

表1不同实验目的所选用的样品参数

步骤40，对实验样品分级加热至不同的目标温度进行热处理；

本步骤中，需要加热样品到不同度数的高温并冷却，温度处理在一个可编程的加热炉中完成。该加热炉的最高温度为1200℃。样品被分别加热到25℃、200℃、400℃、600℃、800℃和1000℃。相应地，这些被加热到不同温度的样品被记为M25、M200、M400、M600、M800和M1000。每一组样品都按照1℃/min的加温速率加热到需要的温度并保持5小时使得样品的所有部分均达到最高温度。之后，样品按照1℃/min的降温速率降温到200℃；然后关闭加热炉电源，保持炉门关闭12个小时再取出样品。这样做的原因是加热炉在温度低于200℃时降温速率低于1℃/min，因此在从200℃降温到室温这个阶段的降温速率只能低于1℃/min。取出之后的样品重新装入密封袋中以避免吸收空气中的水分。

本步骤之后还具有步骤41，分析实验样品的矿物成分，具体为：测量M25、M200、M400、 M600、M800和M1000立方体样品的矿物成分，比较热处理后样品的矿物成分和未加热样品的矿物成分。本实施例采用粉末X射线衍射(XRD)的方法进行样品的矿物成分测试，采用的仪器是AD/max 2400X射线衍射仪。

在本步骤中，矿物成分测试结果如表2所示。根据矿物成分结果，发现M800和M1000样品中的矿物成分发生了矿物相变，其主要矿物成分白云石全被分解，形成石灰和方镁石，表明在经过800℃和1000℃高温处理后的矿物性质急剧劣化，不可继续使用。对于未发生相变的样品(M25至M600)则根据后续步骤进行分析。

表2不同高温处理后大理岩样品的矿物成分

步骤50，对每一级目标温度热处理后的实验样品进行细观参数测量：

本步骤中，细观参数包括颗粒尺寸分布和线裂纹密度。

在本步骤中，对每一级目标温度热处理后的偏光片样品进行偏光显微观察和细观参数分析，偏光显微观察方法为：在热处理之后，圆饼样品切片之后浸泡在树脂中，然后磨成偏光片。为了减小磨样品的过程中产生的扰动对样品的破坏，偏光片的厚度采用1mm而不是传统上常常采用的30μm。采用德国卡尔蔡司的Axio Scope A1 microscope偏光镜在反射模式和单偏光条件下进行观察拍照；偏光显微照片通过内置照相机拍得并传输到电脑。M25到M600的偏光显微照片如图3所示。

在本步骤中，对M25、M200、M400和M600每一级温度热处理样品的三张尺寸和放大倍率都相同的偏光显微照片进行分析；提取和分析照片中的颗粒，用以研究它们的分布特征、温度依赖性、以及它们与温度之间的关系。

就颗粒尺寸分布统计而言，对于颗粒边界明显的岩石，如花岗岩等多晶体岩石，可以直接使用二值化图像或灰度图像后进行统计，对于颗粒边界不太明显的岩石，如大理岩等单晶体岩石，一般需要通过以下步骤分割和统计晶体颗粒：灰度亮度调节、提取颗粒边界、相邻颗粒填充不同颜色色块区分、统计色块的数量和大小分布。

在本步骤中，颗粒尺寸分析步骤如下：如图3所示，在拍摄得到的照片中的颗粒和颗粒边界的对比相对较弱。常用的方法，如调解对比度和亮度、转换成灰度图像之后根据灰度或者是RGB分割的方法不能正确地分割颗粒。为了保证图像处理的准确性，用提取边界、色块填充颗粒、统计色块大小相结合来分割图像。颗粒尺寸的统计方法为：先调节亮度和对比度强化颗粒边界，使得原始图像中的颗粒边界变得明显；然后提取颗粒边界网格(图 4)；接着把图像转换成灰度图像，用不同的颜色填充颗粒边界所围成的颗粒(图5)；最终统计填充色块颗粒的颗粒数目、平均粒径和颗粒面积。

就线裂纹密度而言，线裂纹密度定义为裂纹总长度除以图像的总面积得到线裂纹密度，量纲为[L

在本步骤中，线裂纹密度分析步骤如下：首先，于偏光显微照片上方建立一个新图层，用宽度与偏光显微照片中裂纹宽度接近的曲线在该图层上描出裂纹得到裂纹网络，然后导出含有裂纹网络的图层，得到一个仅含有裂纹网络的图像(图6)；接着，计算图像中所有裂纹占有的面积，则裂纹的总长度就等于所有裂纹占有的面积除以裂纹的宽度，量纲为[L]。值得注意的是，在运用这个方法计算裂纹长度的过程中，图6所示的曲线的宽度应该根据偏光显微照片的比例尺和用于追踪裂纹的曲线的宽度确定以保证计算的准确性。在本实施例中，偏光显微照片的单位是微米，根据偏光显微照片的大小和比例尺，裂纹图中的曲线宽度在计算面积时设置为6.7微米。

本步骤中，进一步建立细观参数与温度之间的相关关系：

图7展示了在25℃、200℃、400℃和600℃之下加热样品的矿物颗粒尺寸分布，粒径分布服从乘上一个放大系数的改进瑞雷分布，如公式1所示：

其中a和μ分别为放大系数和尺度参数。

拟合结果如表3所示。

表3改进瑞雷分布拟合结果

如图8a所示，根据拟合结果可以发现尺度参数μ和加热温度T之间有强相关关系，相关关系满足如下公式2：

μ＝0.073T-89.712(R

如图8b所示，样品的线裂纹密度ρ随着加热温度T的演化遵循线性关系，线性关系满足如下公式3：

ρ＝2.149×10

以上实验中测试的数据，以及温度、细观参数之间的相关关系汇总形成数据对应关系表。

步骤60，当实际火灾发生时，在石质文物过火区域内不同的位置取样岩石小样品，使用与步骤50相同的方法测量岩石小样品的细观参数值，然后根据步骤50中所建立的数据对应关系表反算取样位置经历的过火温度。

具体而言，也就是测量颗粒尺寸分布、线裂纹密度，然后通过颗粒尺寸分布、线裂纹密度得到尺度参数，由尺度参数得到相应的温度。

由上可知，由于颗粒尺寸分布(通过尺度参数)、线裂纹密度都与温度的变化有强相关关系，理论上选择其中一个参数即可得到温度值，实践中优选两个参数都测量，选择两个参数具有可对比性，从而进一步验证测算结果。

本步骤中，对过火区域内取样的岩石小样品进行分析岩石种类，以对应数据对应关系表中的种类；通过分析小样品的细观参数，根据对应种类的数据对应关系反算过火温度。

本步骤中，取样岩石小样品具体为钻取毫米级岩石小样品，从而石质文物小样品为毫米级石质文物小样品，可以是取过火导致的石质文物剥落的小样品，这样能够最大程度地避免对文物的二次破坏，如现场不存在合适的石质文物剥落的小样品，也可以从石质文物表层钻取毫米级岩石小样品。

需要说明的是，由于本实施例中所述方法是作为一种预先研究方法，不可能在实施例研究中对石质文物造成损坏，因此本实施例中步骤60所述内容中对过火区域内取样这一步骤未做具体操作。而根据“同种岩石制作的建筑物部件物理力学性质接近”和“岩石的细观性质受到其温度的影响”原理，以及本实施例中实际实验得到的样品细观参数与温度的关系，本发明所述方法的合理性可得到自证。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。