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0 引言
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陶质文物是中华文明的瑰宝，是人类文明的象征和重要载体，具有鲜明的中华民族文化特征，也极具历史、艺术和科学价值[1-3]。陶质文物在我国出土的文物中占很大比重[4]，作为其中的杰出代表，兵马俑距今已有两千多年的历史，是中华民族先人所遗留下来的最宝贵的历史文化遗产之一，其修复与保护一直是文物保护领域研究的热点[3]。
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陶质文物是以易熔黏土为原料并经过高温烧制而成的。其抵御环境侵蚀的能力较差，在风化、光照、酸蚀、污染、霉菌及室温差等环境因素作用下易发生变化[5]。除此之外，陶质文物的埋藏环境普遍较为潮湿且含有可溶性盐类物质，当这些含盐液体浸入多孔的陶质文物内部时，其反复结晶、溶解的过程容易使得出土时的陶质文物出现开裂、酥松甚至破碎[5]。而出土后的陶质文物，则容易受到大气污染和微生物侵蚀等方面的影响，进一步增加文物破坏的风险[4-5]。
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兵马俑是一种大型陶制文物，重量大、体积大且形状复杂，再加上其自身材料具有酥脆的特性，因而有必要明确修复和展示过程中的力学性能，以确保结构受力安全稳定[3]。力学试验是获取材料受荷下应力和变形特征的重要方法[6]，也是获取材料强度的直接途径。目前，在兵马俑的材料力学性能方面，现有研究已对材料的拉伸强度和弯曲弹性模量进行了试验，并对两者进行了一元线性相关性分析，指出不同年代的兵马俑以及在同一套兵马俑不同部位下，其材料拉伸强度和弯曲弹性模量均有明显差异[6]。而对其他力学性能（如抗压强度、抗折强度等），现有研究只对不同年代的兵马俑进行了少量的试验[1]，对于不同部位上的差异则尚未进行相关研究，因而有必要进行相应试验，从而全面了解兵马俑不同部位在抗压强度、抗折强度等方面的力学性能差异。
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对于兵马俑以外的陶质文物力学性能方面的研究包括：赵静[2]选取了陕西陇县博物馆藏部分陶质文物碎片，加工成多块小尺寸试件，进而采用万能试验机对抗压强度和抗折强度进行测试；陈家昌等[7]则对河南内黄三杨庄汉代聚落遗址的陶瓦进行了抗折强度的试验；Huon等[8]对陶块进行了抗剪强度试验，进一步采用试验验证后的有限元模拟方法，深入研究了材料的各向异性特征。尽管这些试验研究对陶质文物的各种力学性能均有所涉及，然而考虑到文物自身的宝贵价值和其不可再生性，陶质文物力学方面的研究仍相对有限。
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对于陶制文物的修复，粘接是其中重要的步骤之一[4]——可减缓文物的进一步损坏[7]。目前对于粘接后的兵马俑力学性能，现有研究主要集中于抗压强度[5]以及粘接剂自身的抗拉与抗压性能[1]等方面。在针对其他粘接的陶质文物力学性能的研究中：牛飞[4]对采用Primal WS-24丙烯酸树脂分散液修复的陶瓷文物进行了抗折和抗拉强度试验；赵静等[9]选取了榆林靖边五庄窠梁遗址的部分陶质文物，分别研究了添加普通保护材料和改性复合保护材料后的残片抗压强度。然而，对于兵马俑，其粘接后的抗折强度尚需要进行深入的研究。
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因此，本工作将以秦俑作为研究对象，对其各部位残片的抗压强度、抗折强度和粘接后的抗折强度进行试验，并根据试验结果进一步讨论分析，以期为修复后的秦俑力学安全稳定提供相关建议。
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1 材料和方法
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1.1 试件制作
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由于秦俑具有不可再生性，故选取不同部位的小残片作为样品，这些残片的尺寸很小，均为秦俑修复阶段无法进行粘接拼合的残片。残片样本及其对应的部位如图1所示，这些样品的尺寸均在100 mm×100 mm×50 mm范围内。
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图1 秦俑残片样本
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Fig.1 Samples of Qin Terra-cotta Warriors
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从每块样品中分别加工2块10 mm×10 mm×10 mm、2块20 mm×5 mm×5 mm和2块30 mm×5 mm×5 mm的立方体或长方体试件，其中10 mm×10 mm×10 mm用于抗压强度试验，30 mm×5 mm×5 mm用于抗折强度试验，20 mm×5 mm×5 mm用于粘接抗折强度试验（2块为一组）。对于试件的加工：首先对样品表面进行清洗；之后采用高压水射流（即水刀）进行若干次切割后形成试件，其加工精度可达0.1 mm；最后对加工好的试件进行编号，包括试件整体编号各表面编号。试件整体的编号用于记录试件所在的样品来源，同时明确试件所对应兵马俑的部位。表面编号则用于确定试件加载的最佳表面，比如：对于抗压强度试验的立方体试件，选取几何形状最规整、最平整的表面记作A面（用于后期加载的试验机接触面），其对面记为D面，右面记为B面，上面记为C面，左面记为E面，下面记为F面；对于抗折强度试验的长方体试件，则以较平整的小面（5 mm×5 mm）作为A面，其余面的标记方法与立方体试件类似；而对于粘接抗折强度试验的长方体试件，其中一块的标注方法同抗折强度试验的试件，另一块则是从G~L进行标注，分别对应A~F，在之后的粘接中，对其中一块的A面和另一块G面进行拼接。分别以抗压、抗折和粘接抗折试验中的各一块试件为例，其标注和粘接后的实物如图2所示。
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图2 试件实物图
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Fig.2 Specimens
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由于试验所采用的试件为小尺寸，因而需要精确测量其受荷面积，以尽量减少试验误差。所有试件均采用游标卡尺测量受荷面的具体尺寸，即A面两条边的具体长度lA1和lA2。对于粘接抗折试件，则是测量一块A面和另一块G面两条边的长度lA1和lA2、lG1和lG2，取对应边较短的长度作为受荷面具体尺寸[即l1=0.5×（lA1+lG1），l2=0.5×（lA2+lG2）]，这是由于粘接面积取决于两块粘接面的重合区域。各试件编号及其受荷面具体尺寸如表1所示。
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（续表1）
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对于粘接抗折强度试验的试件，采用秦俑修复常用的粘接剂——双酚A型环氧树脂（E-44）和聚酰胺树脂（低分子650）（图3），按质量比3∶2进行调合。粘接后将试件于温度60℃、相对湿度70%的条件下放置6 h，从而使试件得到充分固化。
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图3 粘接剂实物图
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Fig.3 Adhesives
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1.2 试验方法
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秦俑陶体力学性能试验包括抗压强度、抗折强度和粘接抗折强度试验。
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对于抗压强度试验，参考GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[10]的轴心抗压强度试验部分。试验前，将试件于温度（23±2）℃、相对湿度（50±10）%的标准环境中放置至少24 h。试验加载采用电子万能试验机，其测力仪型号为SKMS-10 kN，量程为1~10 kN；位移速度检定仪型号为DS-70，位移量程为0．01~2 m，速度量程为0．01~10 m/s。试验时，试件放置在万能试验机前，将试件表面与试验机上、下承压板面擦拭干净，之后将试件直立放置在试验机的下压板或钢垫板上，且使试件轴心与下压板中心对准。试验时，确保试件表面与上、下承压板或钢垫板均匀接触，控制加载过程连续均匀，直至试件破坏。
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对于抗折强度和粘接抗折强度试验，参考GB/T5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》[11]的抗折强度部分。试验前，将试件于温度（23±2）℃、相对湿度（50±10）%的标准环境中放置至少24 h。采用万能试验，结合三点弯曲装置进行加载，其示意图如图4所示。三点弯曲加压辊轴直径为10 mm，两支座辊轴间距设置为20 mm，加压辊轴位于两个支座辊轴的正中，所有辊轴保持互相平行。加载时，将试件对称放置在支座辊轴上，控制加载过程连续均匀，直至试件破坏。
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图4 抗折强度加载示意图[11]
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Fig.4 Schematic diagram of flexural strength loading
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1.3 数据处理
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对于抗压强度，按式1进行计算：
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式中：fc为试件的抗压强度（单位MPa，精确到0.01）；P为试件的破坏荷载（单位N）；b为试件宽度（单位mm）；h为试件厚度（单位mm）。
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对于抗折强度及粘接抗折强度，按式2进行计算：
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式中：fr为试件的抗折强度（单位MPa，精确到0.01）；P为试件的破坏荷载（单位N）；L为两支座辊轴中心间距（单位mm）；b为试件宽度（单位mm）；h为试件厚度（单位mm）。
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2 结果与讨论
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2.1 抗压强度
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各试件的抗压强度如表2所示。对于这些试件，根据其部位进行抗压强度平均值的统计，并计算所有试件的平均抗压强度，可知底盘、内衬和甲片等部位的抗压性能相对较强，腿和袍等部位的抗压性能相对较弱。
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此外，表2中某些部位的不同试件抗压强度值差异明显，初步分析差异产生的原因主要来源于以下方面：1）秦俑材料自身具有空隙、裂纹及不同尺度的颗粒，对于每个试件，其空隙、裂纹和颗粒的分布具有特异性，造成一定的强度差异；2）试验采用的试件尺寸极小，导致加载面积十分有限，从而使得强度计算的误差增加；3）水刀加工虽然具有较高精度，但由于试件尺寸极小，因此相对误差也会增大，而且根据水刀加工的机理，少量的水会渗透到试件的空隙中，导致材料强度出现变化。
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为减少不同试件差异的影响，将原始24组试验数据中的2组最大值和2组最小值进行去除后再进行统计，并计算其余20组试件的平均值。从表2中可以看出：整体试验最大的2组数据为5-2和7-2；最小的2组数据为6-2和10-1。去除这些数据后，再对各部位以及所有试验的平均值进行统计，并与未处理的平均结果进行比较（表3）。从表3中可以看出：去除最值后抗压强度较大和较小的部位均未发生明显改变；而整体的总平均值从27．92 MPa增加到29．65 MPa，变化了6．2%。
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2.2 抗折强度
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各试件的抗折强度如表4所示。通过平均值统计可以看出，内衬和袍等部位的抗折性能相对较强，手臂部位的则相对较弱。
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由于抗折强度同样存在不同试件的差异，因此同抗压强度一样，采用去除2组最大值和2组最小值进行统计，计算其余20组试件的平均值。如表4所示：整体试验最大的2组数据为5-3和5-4；最小的2组数据为6-4和9-3。去除这些数据后，再对各部位以及所有试验的平均值进行统计，并与未处理的平均结果进行比较（表5）。从表5中可以看出：去除最值后抗压强度较小的部位未发生改变，而抗压强度较大的部位则是甲片和袍；整体的总平均值从12.95 MPa减小到12.65 MPa，变化幅度很小，为2.3%。
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2.3 粘接抗折强度
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各试件的粘接抗折强度如表6所示。由于试件粘接面积很小，且部分试验组中的2个试块粘接面与其余侧面并不严格垂直（图5），因而粘接抗折强度的试验结果和实际情况存在较大误差。粘接强度较大的部位为甲片和足，较小的部位为手臂、袍和腿部。
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图5 粘接抗折强度试验的试件
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Fig.5 Specimens of the adhesion flexural test
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2.4 不同部位力学性能比较
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对不同部位的抗压强度、抗折强度和粘接抗折强度平均值进行比较（表7），其中抗压强度和抗折强度取去除最值后的平均值。对于其中的较大值，以加粗作为标记，而对较小值做划线处理。从表7可以看出：甲片部位的抗压和抗折强度都比较高；对于其他抗压强度比较高的部位，其抗折强度处于中间水平；而对于其他抗折强度高的部位（如袍部），其抗压强度则相对较低；对于粘接抗折强度，甲片和足等部位相对较高，手臂、袍和腿等部位相对较低，而其他部位的粘接抗折强度大致和自身抗折强度接近；粘接后整体的平均抗折强度相比于材料自身有所下降，部分部位下降明显，初步推测是由于试件制作造成的试验误差。
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对于材料自身的力学性能：在抗压强度方面，其最小部位的平均值约为最大部位平均值的57%；而在抗折强度方面，最小部位平均值约为最大部位的68%。说明不同部位的抗压强度差异相比于抗折强度更为明显。
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3 结论
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本工作对秦俑不同部位的抗压强度、抗折强度，以及粘接后的抗折强度进行了试验研究，得到如下结论。
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1）对于陶体自身强度而言，秦俑整体的抗压强度值为29．65 MPa，抗折强度值为12．65 MPa。甲片部位的抗压强度和抗折强度均较高，其余部位抗压强度和抗折强度的相对大小有所差异。不同部位的抗压强度差异较大，而抗折强度差异相对较小。
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2）对于粘接修复的陶体，整体抗折强度相比粘接前有所下降，甲片和足等部位的相对较高，手臂、袍和腿等部位的相对较低。
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3）以上结论与现有研究综合表明兵马俑受力较大的部位位于足踝及臀部和腿部的连接处，可以看出，腿部的各强度相对偏低且受力水平较高，因此在保护修复时要对其进行重点防护，采取相应的预防性保护措施（如内部衬托法、防护支架法等），保持修复后的秦俑的力学稳定性。
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摘要
在秦俑的保护修复中，对秦俑不同部位的陶体进行了抗压强度、抗折强度及粘接抗折强度的试验研究。选取有代表性的小残片作为样本，采用高压水射流方法加工小尺寸试件，分别进行了24组抗压强度、24组抗折强度和12组粘接抗折强度试验。结果表明：秦俑陶体整体平均抗压强度为29.65 MPa、抗折强度为12.65 MPa，不同部位的抗压强度差异相对较大、抗折强度差异相对较小；甲片部位的抗压强度和抗折强度均较高，而其他部位的抗压强度和抗折强度的相对大小有所差异；对于粘接修复后的陶体，抗折强度相比粘接前有所降低；腿部的各项力学性能都相对较低且位于秦俑受力的关键部位，因而有必要进行重点保护。
Abstract
The compressive strength, flexural strength and flexural strength in adhesion of terra-cotta ceramics from different parts of Qin Terra-cotta Warriors were studied. Several representative small pieces of ceramics were selected as samples to make small-sized specimens using the high-pressure water jet technology. Twenty-four groups of compressive strength tests, 24 groups of flexural strength tests and 12 groups of flexural strength in adhesion tests were carried out. The results show that the average compressive strength and flexural strength of the terra-cotta ceramics were 29.65 MPa and 12.65 MPa, respectively. The variation of compressive strengths among different parts was relatively larger than that of flexural strengths. Both the compressive strength and flexural strength of armor pieces were at high levels, while the relative magnitudes of compressive strength and flexural strength of other parts were different. For the restored ceramics, the flexural strength was decreased. Since the legs featured relatively lower mechanical properties and are located at the key force-bearing parts of Qin Terra-cotta Warriors, it is necessary to focus more on their conservation.
沪公网安备 31010102005301号