模擬降雨侵蝕對(duì)寺廟建筑物礦化度的影響

模擬降雨侵蝕對(duì)寺廟建筑物礦化度的影響

酸雨通常指ph為5.6的降雨。自20世紀(jì)末在北歐和北美發(fā)現(xiàn)酸雨以來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)和人工建筑的影響一直受到學(xué)術(shù)界的高度重視。在過(guò)去的30年里，中國(guó)的改革和開(kāi)放創(chuàng)造了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，人民生活水平顯著提高，取得了優(yōu)異的成績(jī)。然而，許多人的人口總量、廣泛的發(fā)展模式以及快速的工業(yè)化和城市化也使中國(guó)成為影響酸雨的主要領(lǐng)域之一。受酸雨影響的總面積約占總面積的40%。因此，酸雨的形成機(jī)制及其環(huán)境研究一直是環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了酸雨對(duì)農(nóng)業(yè)、森林、土壤、水體和人工建筑物的影響。其中許多科學(xué)家從材料成分、顏色和破壞的角度分析了酸雨對(duì)石灰?guī)r和混凝土建筑物表面的影響。作為人類藝術(shù)的瑰寶和歷史文化的象征，寺廟必須受到特殊保護(hù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者非常重視酸雨對(duì)寺廟建筑的影響。在對(duì)中國(guó)北方寺廟建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，作者采用了同步室內(nèi)模型和sem分析法，并從微觀形狀和物質(zhì)組成的角度分析了酸雨對(duì)寺廟建筑（青瓦、釉面、白色大理石）表面的影響。闡明了酸雨對(duì)各種織物表面侵蝕的特點(diǎn)。1人工酸雨雨的模擬過(guò)程中國(guó)北方寺廟多采用青瓦、琉璃瓦、漢白玉和木質(zhì)材料修建,其中青瓦質(zhì)地疏松、表面及內(nèi)部有較多的微孔隙;琉璃瓦因表面有釉質(zhì),其質(zhì)地致密表面光滑;漢白玉作為天然石料,其成分主要為CaCO3和MgCO3,故遇酸雨可被部分溶解.選取材質(zhì)均勻的青瓦、琉璃瓦和漢白玉,將其分別切割成表面面積相同的2cm×2cm×2cm的立方體12塊以備同步實(shí)驗(yàn)所用.參照我國(guó)主要酸雨沉降地區(qū)的酸雨成分,用稀硫酸溶液和去離子蒸餾水分別配制pH=5.0,4.0,3.0的人工酸雨各2500mL,運(yùn)用pHS-2型酸度計(jì)測(cè)定其酸度以確認(rèn)人工酸雨的pH值,并將人工酸雨密封保存于3000mL的玻璃瓶中,同步取2500mL去離子蒸餾水保存于3000mL的玻璃瓶中,以備模擬實(shí)驗(yàn)所用.在室內(nèi)構(gòu)建同步模擬實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)顯微鏡觀察建材立方體表面,選取表面平整光滑、物質(zhì)組成相對(duì)均勻2cm×2cm的正方形表面去承接人工酸雨雨滴的擊打.在模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣溫和大氣相對(duì)濕度分別保持在15~18℃和50%~70%之間,用全塑醫(yī)用輸液器模擬自然降雨過(guò)程,人工雨滴的自然降落距離保持在5cm左右,使雨滴降落并飛濺至整個(gè)4cm2的樣品表面,樣品均放置在有孔洞的塑料底座上,保證模擬酸雨在沖刷樣品表面后沿表面流下至玻璃瓶底部而不會(huì)浸泡樣品.每周模擬3次,每次模擬降雨強(qiáng)度維持在12mm·h-1并持續(xù)5h,每次模擬定酸雨量為24mL,這樣3周模擬過(guò)程中建材塊體表面接受到酸雨沉降量為每塊216mL,相對(duì)于540mm的降雨量,所有模擬的降水均收集到清潔密閉的容器中.吸取承接模擬酸雨(經(jīng)過(guò)濾)100mL放置到清潔且已知質(zhì)量的燒杯中,進(jìn)行烘干并將烘干的燒杯放置到干燥器中冷卻,及時(shí)用萬(wàn)分之一的電子天平稱量其質(zhì)量,并測(cè)得模擬酸雨的礦化度如表1所示.模擬用的建材塊體同步在清潔的室內(nèi)風(fēng)干,然后分別經(jīng)抽真空和噴金導(dǎo)電處理,用日立X-650型掃描電子顯微鏡(SEM),選用加速電壓20kV條件下觀測(cè)建筑物表面特征,獲得各模擬建材塊被酸雨腐蝕的表面圖像,如圖1所示.2青瓦與白骨的溶蝕作用淋洗琉璃瓦、漢白玉和青瓦后的模擬酸雨礦化度表明,隨著酸雨pH值的降低,酸雨的礦化度都在急劇增加,一方面表明酸雨對(duì)這些建筑物表面的溶蝕作用也在增強(qiáng),另一方面表明酸雨對(duì)建筑物的淋洗作用會(huì)引起地表水礦化度和硬度的快速增加,危害地表水的水質(zhì).酸雨對(duì)表面光滑細(xì)膩、質(zhì)地致密的琉璃瓦溶蝕作用最弱.在540mm模擬酸雨淋洗作用下,漢白玉建材單位表面的溶蝕量在不同pH條件下分別為5.76mg·cm-2(pH=3.0)、2.67mg·cm-2(pH=4.0)、1.83mg·cm-2(pH=5.0)、0.77mg·cm-2(pH=7.0).酸雨對(duì)表面粗糙多孔隙、質(zhì)地相對(duì)松散的青瓦溶蝕作用最強(qiáng),其表面溶蝕量為12.78mg·cm-2(pH=3.0)、11.44mg·cm-2(pH=4.0)、9.69mg·cm-2(pH=5.0)、8.49mg·cm-2(pH=7.0).分別在每張SEM圖片上的X、Y方向上隨機(jī)地取7條直線,測(cè)量出各直線上微裂隙長(zhǎng)度的平均值Lx和Ly(單位為mm),S代表每張圖片的總面積為常數(shù)(即12103mm2),設(shè)F=LxLy/S,F值的物理意義是被腐蝕建筑物單位表面積上微裂隙面積所占的比例,它衡量酸雨對(duì)建筑物表面溶蝕程度的定量指標(biāo).4張漢白玉材料的F值分別為:1.03%(pH=7.0)、2.97%(pH=5.0)、4.46%(pH=4.0)、12.20%(pH=3.0).4張青瓦材料照片的F值分別為:0.77%(pH=7.0)、1.29%(pH=5.0)、2.81%(pH=4.0)、8.68%(pH=3.0).酸雨對(duì)青瓦和漢白玉的溶蝕作用存在明顯的不同,在中性降水作用下,漢白玉表面表現(xiàn)為菱面體狀;在pH=5.0的酸雨作用下,漢白玉晶體表面交替排列的Ca2+[CaCO3]和Mg2+[MgCO3]遭受不同程度的溶蝕,由于CaCO3的溶度積(Ksp=3.8×10-9)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MgCO3的溶度積(Ksp=1.0×10-5),MgCO3遭受的溶蝕強(qiáng)流失量大,而CaCO3遭受的溶蝕弱流失小,致使自pH=5.0的酸雨淋溶下漢白玉表面呈現(xiàn)微粒狀;在pH=4.0和pH=3.0的酸雨作用下,漢白玉表面的溶蝕作用顯著增強(qiáng),這種差異性溶蝕作用依然存在使?jié)h白玉表面呈現(xiàn)晶畸鑲嵌狀(或微片狀)結(jié)構(gòu).由于青瓦質(zhì)地疏松且表面多孔隙,酸雨易通過(guò)孔隙進(jìn)入內(nèi)部,同時(shí)青瓦表面的微裂紋特別是毛細(xì)管尺度上微裂紋具有保持酸雨的能力,使酸雨在表面及亞表層的滯留時(shí)間增長(zhǎng),增加了酸雨與建筑物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間,從而增強(qiáng)了酸雨對(duì)建筑物的腐蝕作用.在上述人工酸雨模擬過(guò)程中琉璃瓦表面微形態(tài)變化不明顯,文中未列舉其SEM圖片,表現(xiàn)琉璃瓦對(duì)短時(shí)間的酸雨淋洗具有較強(qiáng)的抗蝕能力.3模擬實(shí)驗(yàn)分析在中國(guó)北方寺廟常用建筑物材料中,琉璃瓦抵抗酸雨腐蝕的能力最強(qiáng),漢白玉抵抗酸雨腐蝕能力居中,而青瓦抵抗酸雨腐蝕的能力最弱.因此,對(duì)青瓦和漢白玉建筑物表面涂上透明的蠟質(zhì)乳膠涂料則是防護(hù)酸雨腐蝕和保護(hù)寺廟建筑物的關(guān)鍵.模擬實(shí)驗(yàn)表明人工酸雨經(jīng)淋洗青瓦、漢白玉和琉璃瓦表面形成了礦化度很高的地表水.由于青瓦多屬于就地取材經(jīng)燒制而成,故與當(dāng)?shù)赝寥莱煞窒嘟?可見(jiàn)在中國(guó)北方酸沉降雖然不能導(dǎo)致石灰性土壤的酸化,卻能增大地表水的礦化度和硬