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0 引言
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土遗址是研究中国古代建筑史、城建史的重要实物资料，也是中华民族文化传承的重要载体；在中国的古代历史研究中有着举足轻重的地位，对中华民族文化的延续发展，溯源探寻有着重要影响。土遗址由于岩土质建筑材料的化学稳定性和人类有意识的修缮维护，经过漫长的时间洗礼得以保存至今。甘肃锁阳城遗址是国务院公布的重点文物保护单位，2014年被列为世界文化遗产，始建于晋朝，位于河西走廊西端，是一处集古城址、古佛寺遗址、古渠系和古垦区等多种遗迹为一体的古遗址[1]。
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锁阳城遗址（SYC site）地区气候干燥少雨、气温年较差大，年均蒸发量远大于降水量。由于建筑的材料、形制和工艺限制，长期保存于露天环境，持续遭受环境因子的风化作用，导致土遗址产生质量损失、强度降低等劣化现象。锁阳城土遗址存在明显的风蚀剥落和冲沟裂隙等病害现象，如图1所示。现有的研究表明，土遗址的病害发育与微观结构的变化有着密不可分的关系，研究土遗址的孔隙结构分布和特征情况，是研究土遗址在病害发育过程中渗流特性、热力学性质变化的基础，也是制定保护方向和措施的依据[2]；在风化的过程中，表部土体的孔隙总体积和表面的分维系数减小，导致孔壁粗糙程度降低，减少了颗粒间的摩擦，在宏观上容易诱发土体表层的剥离病害[3]；基于低温液氮等温吸脱附曲线，识别出样品中的半封闭状态狭缝型孔和平行板状孔、开放状态的平行板状孔和“墨水瓶”状孔，开放孔的渗流量明显大于封闭孔[4]；土遗址的微观劣化分析方法揭示了残存土遗址的真实孔隙状态，有助于土遗址保护的研究。
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采用低温液氮吸附试验测定了不同土样的比表面积和孔径孔容分布情况，基于等温吸脱附曲线，结合FHH（Frenkel-Halsey-Hill）分形理论对土遗址的孔隙系统进行精确地研究，分析了锁阳城土遗址的孔隙特征及分形规律。
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图1 锁阳城遗址病害图
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Fig.1 Diseases of the SYC site
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1 样品和方法
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1.1 试样采集
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土是一种非均质性的多孔介质体，其孔隙结构特征直接影响了土遗址建筑的热传导、渗透、热扩散等物理特性，一定程度上反映了土遗址建筑劣化的程度。土遗址的多孔介质系统是一种分形体，其孔隙结构特征具有明显的分形特征，利用孔隙结构的分形维数可以反映土遗址孔隙形态分布的复杂程度，同时揭示土遗址孔隙内部遵循的“自相似性规律”[5]。
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现存锁阳城土遗址城墙和马面部位均发育有多种风化病害，在长期自然营力作用下，遗址体出现了严重的剥蚀、掏蚀、裂隙、冲沟等病害发育现象；遗址墙体、基础在风力、温度应力、降雨等作用下，呈现片状风化的特征，疏松起壳干缩龟裂，成片状或小块状脱落，表面存在凹凸不平的蜂窝状和一些小突起，可以明显观察到遗址体大面积形成风蚀窝、掏蚀坑、掏蚀槽和掏蚀洞，城墙底部被掏蚀悬空、失稳，墙体出现很多降雨冲沟、裂隙发育，伴有发生酥碱和表层剥落病害（图1）。
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在时间尺度长、环境因子相似的情况下，各部位病害发育情况类似，各部位均呈现程度相近的风蚀、雨蚀破坏，采用直观评估方式难以区别风化程度的差异，选取现场样品进行低温液氮吸附试验，研究孔隙结构及分形特征，从微观尺度分析风化程度差异。
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鉴于文物保护的最小干预原则，试验使用土样取自锁阳城崩塌部位成大型块状的原状土样，其土样保留与墙壁主体相同或近似的孔隙特征；选取东、南、西、北不同位置的城墙及马面部位，共计8组典型土样进行低温液氮吸附试验。
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1.2 试验仪器与方法
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本次低温氮吸附试验使用Micromeritics公司生产的全自动吸附仪（Tristar3020）测定土样比表面积。试验依据GB/T19587—2017《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》标准。吸附介质选用氮气，氮气分子较小，分子形状接近球形且为惰性气体，在绝大多数表面都可以生成明确的等温吸附曲线，是公认适用的吸附质分子；测定的相对压力（P/P0）在0.01~1.0之间，温度为78 K条件下土样对氮气的吸附-脱附曲线。按照规范要求，分别采用比表面积和孔隙孔径孔容计算理论模型得到土样孔隙特征参数。针对低温液氮吸附法得到的吸附体积和相对压力数据，采用FHH介质吸附分形理论，计算土样的分形维数，通过分形维数分析研究锁阳城遗址土样孔隙表面形态复杂程度。
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2 孔隙结构特征
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2.1 孔隙比表面积特征
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在一定的温度和压力的试验条件下，被测样品颗粒（吸附剂）表面在超低温下对气体分子（吸附质N2）具有可逆的物理吸附作用，并对应存在确定的平衡吸附量，结合Langmuir单层吸附理论和Kelvin公式，可以计算得到气体分子（吸附质）吸附量与相对压力的数学关系[6]。根据试验得到的低温氮气吸脱附数据分别采用多点BET法、BJH法、单点法、T-plot方法计算锁阳城遗址土土样的孔隙比表面积；单点法建立在特殊类型材料的BET图呈线性的理论基础上，可以通过简化步骤在相对压力0.2~0.3之间的等温线上只通过单点测定孔隙参数[7，12]；BET比表面积计算模型由Brunauer、Emmett、Teller三人建立在Langmuir吸附理论和经典统计理论构建的多分子层吸附公式；其计算范围受到吸附物理模型和多分子层吸附的限制，只适用于处理相对压力（P/P0）约为0．05~0．35之间的吸附物理数据；BJH计算模型由Barret，Joyner和Halenda三人基于“毛细凝聚”现象和体积等效代换原理，建立毛细凝聚模型，并结合Kevin公式对气体吸附数据进行计算的理论[6-7]；T-Plot曲线法以吸附量对吸附膜的统计厚度t作图，检验样品的吸附行为与标准样品吸附行为的差异，从而得到样品的孔隙特征信息。锁阳城土遗址低温氮吸附比表面积测试结果如表1和表2所示。
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采用BET理论计算比表面积，其物理模型、数据选用等减少内部可能产生的多分子层影响，结果符合土样单层吸附的比表面积；而BJH理论模型存在“毛细凝聚”的干扰，计算存在误差。表1、表2分别列举了采用不同理论方法得到的锁阳城土样比表面积情况，从表1中可以看出，锁阳城土样的BET比表面积分布在5.708 7~11.646 8 m2·g-1；平均为7.735 3 m2·g-1；城墙和马面的比表面积数值和分布上均有明显不同，城墙土样的BET比表面积分布具有明显的偏差性，最大值为11.646 8 m2·g-1；最小值约为7.701 5 m2·g-1，偏差率为5.78%~23.61%，偏差率的平均值为15.13%；BJH吸附比表面积分布为5.467 5~8.803 m2·g-1，平均值为6.736 9 m2·g-1，偏差率为1.90%~30.67%，平均偏差率为15.33%；BJH脱附比表面积分布5.881 7~9.322 1 m2·g-1，平均为7.169 0 m2·g-1，偏差率为1.72%~30.03%，平均偏差率为15.02%。
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马面墙体土样的BET比表面积分布5.708 7~6.337 5 m2·g-1，马面部位各方位的比表面积数值差异性较小，平均BET比表面积为6.048 5 m2·g-1，偏差率介于0.35%~5.62%，平均偏差率为2.98%；BJH吸附比表面积分布为4.993 0~5.383 0 m2·g-1，平均为5.202 5 m2·g-1，偏差率分布0.41%~4.03%，平均偏差率为2.22%；BJH脱附比表面积介于5.587 4~5.860 4 m2·g-1，平均为5.700 8 m2·g-1，偏差率为0.35%~1.98%，平均偏差率为1.57%。
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城墙土样的平均比表面积均大于对应马面土样，城墙土样的物理和化学活动性能，如吸附、溶解、蒸发、催化、氧化、热学等性质均优于马面土样，在相同的风化因子作用下，与城墙土样发生更强烈反应，可能呈现出更强的劣化作用。城墙土样的偏差率明显高于马面土样，表明城墙土样的比表面积离散程度较大，各不同方位的城墙的物化性质存在明显的不同。对比BJH理论处理吸附和脱附数据的结果，脱附数据得到的比表面积值均大于吸附数据，更接近BET模型计算结果，使用BJH法计算比表面积，脱附数据得到的结果更加准确。
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锁阳城土遗址土样比表面积分配情况如表3所示。土样孔隙内、外比表面积综合采用T-Plot方法和BET比表面积方法进行分析，得到土样的内、外比表面积对于总比表面积的贡献。分析锁阳城土样总比表面积分配情况可知，外比表面积占总比表面积的60%左右，具有主导地位。锁阳城城墙土样的内比表面积平均比例为41.62%，马面墙体土样的内比表面积平均比例为37.73%，城墙土样的内比表面积占比明显大于马面土样，表明城墙土样孔隙内部发育情况更加复杂，土体内的孔隙由土颗粒的形状和排列方式决定，反映了城墙土样的土颗粒形状丰富，颗粒排列方式多样化。
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总体而言，锁阳城城墙的平均比表面积明显高于马面的比表面积，且不同方位的城墙土样比表面积均高于对应方位马面的比表面积，城墙和马面的土样比表面积呈现西面和北面相近且较大，南面最小的规律，城墙土样的比表面积平均偏差率和偏差率值范围也明显大于马面土样。城墙内比表面积贡献程度更高，其土颗粒形状、排列方式孔隙发育情况均比马面土样复杂；微孔越发育，比表面积越大[8]，表明城墙的微孔发育较好，提供土样主要的比表面积；城墙的细度程度、孔隙发育程度和差异程度均大于马面墙体。
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2.2 孔容、孔径分布特征
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锁阳城土遗址低温氮吸附孔径、孔容试验结果如表4、表5所示，当相对压力（P/P0）＜0.05时，此时孔隙中主要为“微孔填充”现象，尚未形成多层吸附；当相对压力（P/P0）在0.05~0.2时，吸附量和相对压力规律符合BET理论模型，采用BET多点法计算样品孔容值；当相对压力（P/P0）＞0.2时，随着相对压力的上升，孔隙结构种出现“毛细凝聚”现象，破坏多层吸附，基于体积等效替换原理，通过Kelvin公式和BJH理论模型可以计算土样孔隙的体积和孔径分布特征[7-8]。针对锁阳城土样的等温吸脱附数据，分别采用BET模型、BJH模型处理吸脱附数据，并得到对应的孔容、平均孔径、最可几孔径值；同时按照霍多特十进制孔隙分类标准[12，31]，将孔径结构根据大小分为：微孔（＜10 nm）、小孔（10 nm＜d＜100 nm）、大孔（＞100 nm）。
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2.2.1 孔容分布特征
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低温液氮吸附过程中，“毛细凝聚”现象在多层吸附时伴随发生，且随着相对压力的逐渐升高，微孔、小孔和大孔被填充。BJH理论模型相较于其他模型，构建过程中考虑气体吸脱附时的“毛细凝聚”现象，运用体积等效替换原理，能针对氮气吸脱附全过程数据做出有效计算，结果具有准确性和有效性。表4列举了采用BJH理论模型计算对吸附和脱附数据处理得到的孔隙容积值。
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从表4中可以看出，采用BJH模型对土样的孔隙容积进行计算，选择吸附或脱附数据计算结果相近。通过对BJH脱附和吸附数据对比，得出脱附数据的计算结果均大于吸附数据的计算结果，分析认为，在BJH吸附和脱附过程之中，吸附过程存在“毛细凝聚”不充分的现象，即氮气分子无法完全填充孔隙，使得采用吸附数据处理得到的孔容值会相对偏小的情况；而脱附过程中则会存在氮气分子从孔隙外溢的现象，导致脱附数据计算的结果偏大。为减少试验误差，采用BJH模型对吸脱附数据计算结果的均值作为土样的孔容值，并进行孔隙容积特征研究。
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锁阳城土遗址城墙样品总孔隙容积分布在0.014 509~0.022 208 cm3·g-1之间，平均为0.018 862 cm3·g-1，变异系数为17.08%；马面墙体样品总孔隙容积分布0.017 380~0.021 801 cm3·g-1之间，平均为0.019 270 cm3·g-1，变异系数为8.34%；锁阳城土遗址样品总体孔隙容积分布在0.014 509~0.022 208 cm3·g-1，孔隙容积平均值为0.019 066 cm3·g-1，变异系数为13.40%；城墙与马面墙体土样的孔容平均值相近，仅在小数点四位后发生变化，反映锁阳城土遗址土样平均孔隙容积没有明显差距，但城墙和马面各方位孔隙容积存在差异性；城墙土样的变异系数为17.47%，明显大于马面墙体土样的变异系数8.36%，反映城墙土样的孔隙容积离散程度更高，孔隙容积分布差异性更强，锁阳城土遗址存在差异性风化，城墙部位的差异性风化程度更加明显。
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2.2.2 孔径分布特征
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在低温液氮吸附试验中，相对压力的范围不同，往往具有不同的吸附现象。BET计算理论常适用于处理相对压力约为0．05~0．35之间的吸附数据，无法覆盖气体吸脱附全过程，针对孔隙孔径的计算，难以具有普遍性和有效性；基于“毛细凝聚”现象构建的BJH理论模型，适用于计算样品孔隙的孔径值，本次试验针对锁阳城土遗址土样分别采用BET和BJH理论计算得到的平均孔径结果如表5所示。分析两种理论模型得到计算结果的差异，并研究锁阳城土遗址的平均孔径分布特征。
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表5中可以得出，BET理论计算得到的平均孔径值约为BJH理论平均孔径值的1/2。从模型的理论构建、假说及数据分析均论证得到：采用BET理论计算得到的平均孔径值误差较大，不适合用于孔隙的孔径孔容特征分析；BJH理论处理得到吸脱附数据分别得到的平均孔径值差异性小，呈现出吸附平均孔径值大于脱附平均孔径值的规律，与平均孔容分布规律相反；分析认为，在平均孔径的计算理论中，采用孔隙容积和比表面积的相对关系计算平均孔径（d=4 V/A），在液氮分子吸脱附过程中对于孔隙的计算孔容和比表面积值具有相似的影响，且对计算比表面积值的影响程度更大。为了减少孔径值的误差，选用吸脱附数据的平均值进行孔径分布特征分析；锁阳城土遗址土样的平均孔径分布在9.998 4~18.299 2 nm之间，平均值为13.621 2 nm，变异系数为19.03%；城墙土样的平均孔径分布9.988 4~10.012 7 nm，平均值为12.398 5 nm，变异系数为20.12%；马面土样的平均孔径分为12.874 7~18.299 2 nm，平均值为14.843 8，变异系数为13.86%。锁阳城土样平均孔径分布以小孔为主，存在微孔发育，土样变异系数较高，土样平均孔径分布离散程度较高；随着构造破坏程度的增加，小孔和大孔数量增多[8]。马面土样的孔径平均值和极值情况明显高于城墙土样，小孔分布比例较高，锁阳城土遗址马面土样的构造破坏程度更加严重。
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使用BJH模型对低温液氮吸脱附数据处理得到的孔径分布如图2所示，最可几孔径分布表如表6所示。
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采用吸脱附数据分别计算得到的锁阳城土样孔径在3.20 nm和4.00 nm左右出现优势峰。对吸脱附数据计算得到的最可几孔径进行整理，得到城墙平均最可几孔径分布在3.538 1~3.700 7 nm之间，平均值为3.583 7 nm，变异系数为1.90%；马面墙体的平均最可几孔径分布在3.692 5~3.997 4 nm之间，平均为3.771 4 nm，变异系数为2.03%；锁阳城土遗址土样的平均孔径为3.640 08 nm，变异系数为2.03%。锁阳城城墙和马面墙体土样的平均最可几孔径分别为3.583 7 nm和3.771 4 nm，马面土样的最可几孔径值高于城墙土样；两者变异系数分别为1.90%和2.03%，平均变异系数为2.03%，变异系数数值偏小且相差不大，表明整体土样的最可几孔径分布离散程度较低，均匀性较好。按照霍多特十进制孔隙分类标准，微孔为锁阳城遗址土土样中的主要孔径；从图2中可以看出，孔隙在0~150 nm孔径段之间均有分布，即土样中微孔、小孔、大孔均有分布，小于10 nm的微孔发育较好，且在3~4 nm出现最可几孔径。
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总体而言，锁阳城土遗址土样最可几孔径分布中，锁阳城土遗址四个方位的土样最可几孔径相差不大，孔径差极值约为0.052 505~0.101 943 nm，偏差率为1.44%~2.80%，最可几孔径分布均衡，微孔在锁阳城遗址土体中大量分布，形成了类似于微孔材料的结构特征，为游离气体和孔隙水提供了场所。平均孔径分布以小孔为主，微孔发育较好，土样平均孔径分布离散程度较高，对遗址土样的细观力学包括等效弹性参数、材料泊松比变化敏感程度、材料的抗拉和抗弯性能都有重要的影响[10]。
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图2 锁阳城土遗址土样孔径分布曲线
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Fig.2 Pore diameter distribution curves of the SYC site
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注：MPS—mean pore size：最可几孔径；A—adsorption：吸附数据；D—desorption：脱附数据；Ar—average：脱附和吸附的平均孔径
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2.3 孔隙形态特征
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针对不同的吸附质和吸附剂，气体吸附法得到的等温吸附曲线的类型不尽相同，不同类型的等温吸附曲线表示了材料不同的吸附模式和气体吸脱附过程，可以表征不同类型的孔隙特性信息。国际上常采用国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）等温吸脱附曲线分类标准作为气体吸附法的分类依据，如图3所示，IUPAC[11]在DeBoer分类标准上进一步将吸脱附曲线细化，分成6类不同类型的气体吸脱附曲线：Ⅰ型等温线相似于Langmuir型吸附等温线，往往反映微孔吸附剂上的微孔填充现象；Ⅱ型和Ⅳ型等温线形状类似，是气体吸附法中常见的形状，是BET公式最常使用的对象，反映了非孔或者大孔吸附剂上典型物理吸附过程；Ⅲ型和Ⅴ型等温线相似，在气体吸附试验中十分少见，随着吸附过程的进行，吸附出现自加速现象；Ⅵ型等温线是一种特殊类型的等温线，反映了无孔均匀固体表面的多层吸附模型。
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图4是锁阳城土样的低温液氮吸附试验数据得到的等温吸脱附曲线，根据样品等温吸脱附曲线的类型可以分析土遗址内部的孔隙形状特征。不同土样的吸脱附曲线在数值和形状上略有差异，但各个吸脱附曲线具有相似的反“S”型走势，整体走势似带拐点的月牙形曲线。根据IUPAC等温吸附线分类标准，曲线与Ⅱ型和Ⅳ型等温线相近，在较低的相对压力下，吸附量迅速上升，曲线上凸，等温线拐点出现在单层吸附饱和状态附近；随着相对压力的逐步升高，产生多层吸附现象，相对压力接近1.0时仍未出现吸附饱和，此时样品中主要为“毛细凝聚”现象。具体分析为：在相对压力为低压段时（0＜P/P0＜0.2），等温吸附曲线在前端缓慢上升，曲线为凸型曲线，此阶段孔隙内发生“微孔填充”现象，由吸附单分子层向多分子层过渡；相对压力为中间段时（0.2＜P/P0＜0.8）此阶段微孔填充饱和，随着相对压力的上升，氮气吸附量缓慢上升，多层吸附逐步形成，孔隙内伴随产生“毛细凝聚”现象；相对压力为后半段时（0.8＜P/P0＜1.0），随着相对压力逐步上升，由于“毛细凝聚”现象发生气体凝结的毛细孔径越来越大，氮气吸附量急剧上升，直至接近饱和蒸汽压也没有呈现氮气吸附饱和现象，形成多层吸附。此时“毛细凝聚”发生于中孔和大孔中，此类吸附曲线难以测定准确的极限平衡吸附值。
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土样在相对压力（P/P0）＞0.40时，由于“毛细凝聚”现象中液面曲率半径的变化，结合Kelvin公式理论分析，导致相同的吸附量时脱附压力总小于吸附压力，吸脱附曲线的差别形成了环状曲线结构，称为滞后回线，也称回滞环[13-14]。不同类型的滞后回线能一定程度上反映样品孔隙的形态和结构特征。开放型孔和细颈瓶孔可以产生滞后回环线，封闭的不透气孔不能产生滞后回线[13]。在低温液氮吸附试验中，由于实际土样的孔结构更为复杂，试验数据得到的吸附-脱附回滞环并不能简单地归为某一类，结合回滞环的形状、宽度和类型对孔隙结构特征进行分析时，回滞环往往反映了被测样品的“混合”型孔结构特征。DeBoer[14]根据吸脱附模型和数据特征提出了5种回滞环的类型，国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）[6，12]在DeBoer的基础上，将回滞环类型推荐分为6类，如图5所示。本工作在IUPAC分类标准的基础上研究回滞环的特征，讨论土样孔隙的孔径形状和空间结构特征。
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图4 锁阳城土遗址土样等温吸脱附曲线
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Fig.4 Isothermal adsorption-desorption curves of soil samples from the SYC site
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图5 IUPAC分类的6种回滞环类型
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Fig.5 Six types of hysteresis loops classified by IUPAC
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第一类吸附-脱附回滞环以样品4和样品8为例，其形态表现为明显带有拐点的月牙形曲线，回滞环类型与IUPAC推荐的H3型相似，同时兼有H4型的特征，该回滞环类型反映遗址土样品中孔隙类型为平板狭缝结构、裂隙和楔形结构等，其迟滞回线由片状颗粒材料给出，一般情况下为片状颗粒堆积形成的狭缝孔，在较高相对压力区域没有表现出吸附饱和现象。
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第二类吸附-脱附回滞环以样品5、样品3和样品7为例，其回滞环形状表现为不带拐点的月牙状曲线，回滞环的类型与IUPAC推荐的H2（b）型相似，同时兼具H1、H3型的特征，此类回滞环可能包括典型的“墨水瓶”孔、孔径分布不均的管形状孔和密堆积球形颗粒间隙孔等，反映孔隙类型和空间结构复杂。
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两类吸附-脱附回滞环均没有明显的饱和吸附平台，表明孔结构很不规整。回滞环的脱附支拐点均出现在相对压力（P/P0）约为0.5时；已知液氮的表面张力γ=8.85×10-3N/m，温度T=77 K，接触角φ=0°，气体常数R=8.315 J/（K·mol）[13]，结合Kelvin方程和吸脱附数据计算可得对应孔径r=2.764 5 nm。根据Kelvin公式，相对压力越大孔径越大，在相对压力（P/P0）大于0.5时，孔径＞2.764 5 nm，存在明显的吸附-脱附回滞环，表明煤样中存在较大孔径的开放型透气性孔，同时也可能存在封闭的不透气孔；在相对压力较低时（P/P0＜0.5），对应孔径＜2.764 5 nm，不存在吸附-脱附回滞环，表明2.764 5 nm以下孔径的孔大多是封闭不透气孔。样品孔隙的开放程度与吸附曲线的上升速率有着密切关系，开放程度越大，低温液氮吸附试验得到的吸附曲线上升速率越快[23]。从图4中可以观察到，随着相对压力的增加，氮气吸附速率上升，且不同土样的吸附曲线均有着相近的变化趋势，在相对压力相近的区域，上升速率也大致相同；可以得到孔径较大的孔隙开放程度更高，不同样品的各等级孔径的孔隙开放程度相当。
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总体而言，锁阳城土遗址土样等温吸脱附曲线表明：遗址土样中孔隙结构很不规整，孔隙类型和空间结构分布复杂。孔隙形态上，存在有片状颗粒材料堆叠形成的狭缝状孔隙、裂隙以及楔形结构的孔隙，同时具有无定形孔隙如“墨水瓶”孔、管形状孔隙和密堆积球形颗粒的间隙孔等；在孔隙的开放类型上，小于2.765 nm的微孔大都为封闭不透气性孔隙，大于10 nm的过渡孔和中孔为开放型透气孔为主，可能存在封闭不透气性孔隙；在孔隙的开放程度上，锁阳城土遗址孔径大小和孔隙开放程度呈正相关，各样品之间同孔径下孔隙开放程度差异小。
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3 孔隙的分形特征
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3.1 分形理论
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分形是指具有非整数维形式填充空间的形态特征，分形数学是一门以不规则几何形态为研究对象的几何学，是一套以分形特征为研究主题构建的分形数学理论，其基本原理是从分数维度的视角、数学方法和思想描述和研究客观事物，即用分形思想的数学工具更加趋近真实属性和状态描述复杂系统[13]。
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分形理论作为一种数学思想方法，广泛地用于土力学、土壤学、土遗址的研究中，土体是矿物和有机物混合组成的物质，是由不同尺寸的骨架颗粒及其相互堆叠形成的孔隙组成的非均质多孔材料，实际上是具有自相似性和迭代性的分形结构体[15]。利用分形理论对土体结构特征进行定量化的描述，这为量化土体的变化趋势、分析微观尺度的形态结构特征、构建微观与宏观尺度联系等研究的快速发展提供了理论基础。描述土壤系统的物理特性、构建土壤物理变化过程模型、定量分析土壤系统的空间变异性，反映土壤的水肥情况、侵蚀退化状况[16]；定量表征土体裂隙的开裂发育情况，土样发生体积收缩，其表面及内部产生张拉破坏，裂隙长度、分形维数值都会有迅速显著的增加[17]；引入分形理论定量分析固化微观颗粒的变化规律，建立海相固化土微观颗粒结构变化与宏观力学性能之间的关系[18]；土壤的分形结构对其水力学性质具有重要的指示作用，通过构建相关水力特性参数的分形模型预估土壤水里特性参数[19]；土遗址保护属于环境岩土学科的一个分支，相关研究工作起步较晚，借鉴分形理论在土壤学、土力学的广泛应用的研究成果，逐步将分形理论用于遗址土的微观结构特性、风化程度等方面研究；采用分形维数研究改性聚乙烯醇（SH）固土剂加固土遗址防风化的扩散规律，将土体微观孔隙结构特征定量研究，得出SH固土剂的适用情况[20]。
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土遗址的微观结构是一个复杂的空间几何系统，土颗粒及其堆积形成的孔隙的微观特征反映了遗址土体的性质，采用分形理论研究并表征不规则孔隙的粗糙程度和复杂程度，已经成为微观研究的常用手段之一。分形维数D作为描述分形性质最主要的参数，是反映研究对象不规则性的量度，因此可以使用分形维数表征复杂土体孔隙粗糙性质，定量描述土体内部不规则孔隙的空间分布和变形性质，从数学的角度直观研究锁阳城土遗址的分形特征。
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3.2 FHH分形维数计算理论
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土体孔隙的分形维数有多种计算方法[8]，根据不同的试验方法如：压汞法、扫描电镜法和小角度X射线衍射法采用不同的确定方法。基于低温气体吸附实验，国内外已经研究出多种分形模型用于处理实验数据，并计算分形维数，常用的有：分形BET模型（Brunauer-Emment-Teller Model）、分形Langmuir模型、分形FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型以及热力学模型[16]。
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本研究通过低温液氮吸附试验相对压力-吸脱附量建立FHH分形计算模型[22]计算土样孔隙的分形维数；FHH分形理论是描述多层吸附覆盖率的模型，平面的经典FHH方程如下所示[23]：
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式中：θ表示吸附量；P/P0表示相对压力；指数S是由等温吸脱附曲线决定的特征参数。
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Pfeifer等（1989）[22]将平面的经典FHH方程推广到不规则曲面计算领域，不规则曲面的FHH方程如下所示：
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式中：Ds是由吸附机制决定的特征参数。
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基于非迟滞范德华相互作用理论（non-retarded van der Waals interactions），假设S的理论值为3，进一步推导得到FHH分形计算模型如下所示：
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式中：V为不同相对压力（P/P0）下气体吸附体积，单位是；Vm为BET法气体单层吸附体积，采用BET方程计算；为气体吸附的饱和蒸汽压；P为平衡压力；C为常数；k为系数，与分形维数D和吸附模型相关。
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ln[ln（P0/P）]与ln（V/Vm）成线性关系，其直线拟合斜率能一定程度上反映分形维数。根据实际测得的低温氮气吸附-脱附数据绘制ln[ln（P0/P）]与ln（V/Vm）的点线图，线性拟合得到ln（V/Vm）和ln[ln（P0/P）]的双对数斜率k，斜率k与分形维数D的关系与气体吸附机理有关。分形几何理论认为，孔隙类分形几何属于三维空间的分形维数问题，其分形维数D应介于2~3之间，分形维数数值越大，则表明形体越不规则，即孔隙不规则性越强，几何形态越复杂[23]；国内外学者在研究分析分形理论和吸附理论的基础上，提出针对低温氮气吸附两种基本分形维数计算方法[22，24-25]，当忽略“毛细凝聚”现象时，即微孔填充为主要吸附现象，此时吸附力为分子间的范德华力，分形维数D与拟合直线斜率k的关系为：k=（D-3）/3，而当气体吸附以“毛细凝聚”现象为主导时，此时吸附力主要为毛细管力，分形维数D与拟合直线斜率k关系为：k=3-D。从等温吸脱附曲线的形状可知，锁阳城遗址土样的等温吸脱附曲线在相对压力约为0.2时产生拐点，毛细凝聚现象开始产生，且相对压力小于0.2时，吸附量和数据较少，可以认为整个吸脱附过程“毛细凝聚”现象占据主导地位，因此采用k=3-D关系计算孔隙的分形维数，分形维数应满足2＜D＜3。
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3.3 分形维数特征
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采用FHH分形计算模型绘制了锁阳城遗址各土样的ln[ln（P0/P）]与ln（V/Vm）的散点拟合图，如图6所示。各个土样的双对数曲线形态类似，均能拟合成一条负相关的直线，可以较好地表征土样的多尺度孔隙分形特征；分别计算了各个土样散点拟合图的斜率、截距、分形维数和相关系数；根据FHH理论线性拟合得到的参数如表7所示。
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由表7可知，其线性相关系数r和皮尔逊相关系数（Pearson r）绝对值均大于0.99，且分形维数D在2~3之间，均大于2．5，表明采用基于FHH分形计算模型计算所得的锁阳城土遗址分形维数数值可靠，土样中的孔隙结构特征存在明显的分形行为。锁阳城不同方位的城墙土样分形维数值均大于对应方位的马面土样的值，马面土样分形维数的最大值与城墙土样的最小值近乎相等，说明城墙土样的孔隙结构具有更强的不规则性和复杂性，孔隙表面粗糙程度更大，颗粒间摩擦力也更强。
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图6 各样品分形维数散点拟合图
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Fig.6 Scatter fitting diagrams of the fractal dimension of each sample
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此外，对比锁阳城遗址土样四个方向的分形维数值，如表8所示。可以观察到，锁阳城西方向土样的分形维数均值最大，北部和东部平均数值相近，南部最低，即锁阳城西方向得孔隙复杂程度和表面粗糙度最高；东部土样城墙和马面的分形维数偏差率最大，为4．52%，其余三个方位的偏差率均在2．2%以下，东部土样城墙和马面的孔隙不均匀程度明显高于其余三个方向。
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保存在露天环境下的土遗址，其风化劣化是多种环境因子长时间耦合作用的结果，在土遗址风化的过程中，土遗址在风化因子长时间的作用下，遗址土体内较大的团聚体颗粒原始结构发生破坏，崩解成较小的单体土颗粒，伴有携沙风磨蚀、盐分重结晶、昼夜温差引起的热胀冷缩及干湿、冻融循环的反复作用，土颗粒间的联结力降低，结构持续性损伤[3]；遗址土体孔隙系统在多次循环的盐分溶解和结晶、昼夜温差下孔隙水的凝结和消融、携沙风土颗粒运移的磨蚀、降雨冲刷侵蚀等作用下，对构成土体孔隙系统的团聚体及土颗粒粗糙表面有一定的消磨效果；随着风化作用的持续进行，遗址土体孔隙系统的复杂和粗糙程度呈现下降的趋势，土体整体性能下降，颗粒间摩擦力降低，更容易诱发风化病害。因为分形维数可以较好地定量反映孔隙系统的复杂和粗糙程度，故采用分形维数表征遗址土体的风化状况存在一定的理论基础和可行性。
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受地理气候环境影响，造成锁阳城土遗址差异性风化的因子以携沙风的风蚀作用为主，对锁阳城地区风向气象数据进行汇总，全年平均风速为3.50 m/s，春夏季风力总体较大，8月风速最大，最高可达到24.02 m/s，全年风向以东北风、东风和东南风为主，8月左右以东风、东南风为主[36-37]，此时锁阳城的风蚀作用最强烈，长时间的风力磨蚀作用下，锁阳城土遗址东面和南面风蚀劣化效应更为严重；实际的取样过程中发现，锁阳城土遗址城墙部位由于其形制、规模和尺寸等原因，其保存良好、受人扰动因素较少的部位明显多于马面，故在采用分形维数讨论长期环境风化因子作用影响时，着重考虑城墙部位土样数据；由表6可知，锁阳城土遗址城墙部位西面和北面分形维数值较大，最大值2.694，其孔隙系统较为粗糙，东面和南面的分形维数值偏小，最小值为2.637，其孔隙复杂和粗糙程度较低，摩擦力减少，表明东面和南面的风化程度严重；锁阳城城墙土样分形维数特征与现场赋存环境因子作用结果大致吻合，因此分形维数可以一定程度上表征长时间作用下的遗址土体的风化状况。
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4 结论
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1）基于锁阳城土遗址低温液氮吸附试验分析；锁阳城土遗址土样比表面积随方向不同产生明显差异，西面比表面积最大，东面和北面比表面积近似，南面比表面积最小，平均为9.422 1；城墙与马面土样比表面积差异明显，城墙土样的比表面积、内比表面积占比率、偏差率均大于马面墙体土样，表明城墙土样的微孔发育较好、细度程度、孔隙发育程度和差异性均高于马面墙体。
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2）根据低温氮吸附孔容、孔径测试结果、孔径分布曲线分析；锁阳城遗址土样孔隙类型主要以微孔和小孔为主，城墙和马面孔径分布均匀性较好。锁阳城遗址土样平均孔隙容积为0.019 2 cm3·g-1，变异系数为13.65%，离散程度较高，孔隙容积分布差异性较强，城墙土样孔隙容积的离散性高于马面土样，土遗址存在差异性风化行为。
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3）锁阳城土遗址孔隙结构不规整，孔径大小分布复杂，孔隙形态上，受到土颗粒形状及堆叠方式的影响，存在狭缝状孔隙、裂隙、楔形结构孔隙和无定形孔隙如：“墨水瓶”孔，管形状孔隙和密堆积球形颗粒间隙孔。根据Kelvin理论，城墙及马面各个方位土样孔隙开放程度相当，小于2.765 nm的微孔大都为封闭不透气孔，大于2.765 nm的孔隙以透气孔为主，可能含有不透气孔。
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4）基于FHH分形理论计算锁阳城土体孔隙的分形维数，表征土体孔隙复杂的发育情况；锁阳城土样孔隙存在明显的分形行为，城墙土样相较于马面土样，其孔隙结构具有更强不规则性和复杂性，孔隙表面粗糙程度较大，颗粒间摩擦力更强；孔隙分形维数越小，孔壁粗糙程度降低，容易诱发产生风化病害，可以一定程度上表征土体风化劣化的发育情况。
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参考文献
-
[1] 何双全．关于锁阳城遗址的几点初步认识[J]．丝绸之路，2011(18)：25-26． HE Shuangquan.A primary investigation to the Suoyang cultural site[J].The Silk Road，2011(18):25-26.
-
[2] 岳建伟，李嘉乐，王思远，等．定远营遗址稳定性和微观劣化的研究[J]．科学技术与工程，2021，21(10)：4159-4166． YUE Jianwei，LI Jiale，WANG Siyuan，et al.The stability and micro deterioration of Dingyuanying ruins[J].Science Technology and Engineering，2021，21(10):4159-4166.
-
[3] 陈毅，张虎元，杨龙．遗址土劣化进程中微观结构变化的类比研究[J]．岩土力学，2018，39(11)：4117-4124，4141． CHEN Yi，ZHANG Huyuan，YANG Long.Analogy study on evolution of microstructure of earthen monument during natural weathering process[J].Rock and Soil Mechanics，2018，39(11)：4117-4124，4141.
-
[4] 李小彦，邵玉宝，朱裕振，等．基于低温液氮吸附法的煤岩孔隙分形特征[J]．科学技术与工程，2022，22(1)：65-70． LI Xiaoyan，SHAO Yubao，ZHU Yuzhen，et al.Fractal characteristics of coal and rock pore based on low temperature liquid nitrogen adsorption method[J].Science Technology and Engineering，2022，22(1):65-70.
-
[5] 江丙友，林柏泉，吴海进，等．煤岩超微孔隙结构特征及其分形规律研究[J]．湖南科技大学学报(自然科学版)，2010，25(3)：15-18，28． JIANG Bingyou，LIN Baiquan，WU Haijin，et al.Structural characteristics and fractal laws research in coal and rock ultrafine pore[J].Journal of Hunan University of Science & Technology(Natural Science Edition)，2010，25(3):15-18，28.
-
[6] 近藤精一，石川达雄，安部郁夫，等．吸附科学[M]．北京：化学工业出版社，2006． KONDO S,ISHIKAWA T,ABE I.Adsorption science[M].Beijing:Chemical Industry Press，2006.
-
[7] 殷喜平，朱玉霞，李叶，等．微介孔材料比表面积的测定[C]//第18届全国分子筛学术大会论文集(上)．2015：78． YIN Xiping，ZHU Yuxia，LI Ye，et al.Determination of specific surface area of micro-mesoporous materials[C]//Proceedings of the 18th National Conference on Molecular Sieves(1).2015:78.
-
[8] 张锟，侯昌海，赵迪斐，等．煤与页岩低温氮吸附孔隙结构特征与分形特征对比——以阳泉地区山西组15#煤与页岩为例[J]．科学技术与工程，2016，16(29)：68-75． ZHANG Kun，HOU Changhai，ZHAO Difei，et al.Comparison of pore structure characteristics and fractal characteristics between coal and shale through nitrogen adsorption experiment with the example of Shanxi Formation 15# coal and shale in Yangquan area[J].Science Technology and Engineering，2016，16(29):68-75.
-
[9] 李相方，蒲云超，孙长宇，等．煤层气与页岩气吸附/解吸的理论再认识[J]．石油学报，2014，35(6)：1113-1129． LI Xiangfang，PU Yunchao，SUN Changyu，et al.Recongnition of absorption/desorption theory in coalbed methane reservoir and shale gas reservoir[J].Acta Petrolei Sinica，2014，35(6):1113-1129.
-
[10] 曹晓卿，王志华，马宏伟，等．微孔结构对多孔材料细观力学特性的影响[J]．太原理工大学学报，2006，37(1)：1-4，8． CAO Xiaoqing，WANG Zhihua，MA Hongwei，et al.The effects of micro-structure on the equivalent elastic constants of cellular materials[J].Journal of Taiyuan University of Technology，2006，37(1):1-4，8.
-
[11] 杨峰，宁正福，王庆，等．页岩纳米孔隙分形特征[J]．天然气地球科学，2014，25(4)：618-623． YANG Feng，NING Zhengfu，WANG Qing，et al.Fractal characteristics of nanopore in shales[J].Natural Gas Geoscience，2014，25(4):618-623.
-
[12] 辛勤，罗孟飞．现代催化研究方法[M]．北京：科学出版社，2009． XIN Qin，LUO Mengfei.Modern catalysis research methods[M].Beijing:Science Press，2009.
-
[13] 陈萍，唐修义．低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究[J]．煤炭学报，2001，26(5)：552-556． CHEN Ping，TANG Xiuyi.The research on the adsorption of nitrogen in low temperature and micro-pore properties in coal[J].Journal of China Coal Society，2001，26(5):552-556.
-
[14] 严继民，张启元，高敬琮．吸附与凝聚[M]．第二版.北京：科学出版社，1986． YAN Jimin，ZHANG Qiyuan,GAO Jingcong.Adsorption and Condensation-Surfaces and Pores of Solids[M].2nd ed.Beijing:Science Press，1986.
-
[15] 王清，王剑平．土孔隙的分形几何研究[J]．岩土工程学报，2000，22(4)：496-498． WANG Qing，WANG Jianping.A study on fractal of porosity in the soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22(4):496-498.
-
[16] 陈小磊，舒强，田欢，等．浙北平原区土壤分形特征及其与土壤肥力的关系——以水稻土为例[J]．江苏农业科学，2021，49(22)：247-252． CHEN Xiaolei，SHU Qiang，TIAN Huan，et al.Soil fractal characteristics and its relationship with soil fertility in plain area of northern Zhejiang:taking paddy soil as an example[J].Jiangsu Agricultural Sciences，2021，49(22):247-252.
-
[17] 骆赵刚，许冲，杨振北，等．土体裂隙的量测表征及开裂试验研究[J]．地下空间与工程学报，2021，17（1）：126-134． LUO Zhaogang，XU Chong，YANG Zhenbei，et al.Study on fracture measurement of soils and quantitative analysis of the cracking process[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2021，17(1):126-134.
-
[18] 吴燕开，徐艺中，李文艳，等．基于分形理论的海相固化土强度劣化分析[J]．科学技术与工程，2022，22(18)：8005-8012． WU Yankai，XU Yizhong，LI Wenyan，et al.Analysis of strength deterioration of marine solidified soil based on fractal theory[J].Science Technology and Engineering，2022，22(18):8005-8012.
-
[19] 王艳艳，何雨江．土壤分形结构对其水力性质的指示作用[J]．地学前缘，2019，26(6)：66-74． WANG Yanyan，HE Yujiang.The indicative effect of soil fractal structure on its hydraulic properties[J].Earth Science Frontiers，2019，26(6):66-74.
-
[20] 谌文武，张起勇，刘宏伟．SH固土剂在遗址土中的渗透注浆扩散规律[J]．岩土力学，2019，40(2)：429-435． CHEN Wenwu，ZHANG Qiyong，LIU Hongwei.Infiltration grouting diffusion law of SH agent in earthen sites[J].Rock and Soil Mechanics，2019，40(2):429-435.
-
[21] 徐勇，吕成福，陈国俊，等．川东南龙马溪组页岩孔隙分形特征[J]．岩性油气藏，2015，27(4)：32-39． XU Yong，LYU Chengfu，CHEN Guojun，et al.Fractal characteristics of shale pores of Longmaxi Formation in southeast Sichuan Basin[J].Lithologic Reservoirs，2015，27(4):32-39.
-
[22] PFEIFERPER P，AVNIR D． Chemistry non-integral dimensions between two and three[J]． The Journal of Chemical Physics，1983，79(7)：3369-3558．
-
[23] ZHANG S H，TANG S H，TANG D Z，et al． Determining fractal dimensions of coal pores by FHH model：problems and effects[J]． Journal of Natural Gas Science and Engineering，2014,21：929-939．
-
[24] AVNIR D，JARONIEC M． An isotherm equation for adsorption on fractal surfaces of heterogeneous porous materials[J]． Langmuir，1989，5(6)：1431-1433．
-
[25] ISMAIL I，PFEIFER P． Fractal analysis and surface roughness of nonporous carbon fibers and carbon blacks[J]． Langmuir，1994，10(5)：1532-1538．
-
[26] JARONIEC M． Evaluation of the fractal dimension from a single adsorption isotherm[J]． Langmuir，1995，11(6)：2316-2317．
-
[27] 何余生，李忠，奚红霞，等．气固吸附等温线的研究进展[J]．离子交换与吸附，2004(4)：376-384． HE Yusheng，LI Zhong，XI Hongxia，et al.Research progress of gas-solid adsorption isotherms[J].Ion Exchange and Adsorption，2004(4):376-384.
-
[28] 孙昌花，唐书恒，万毅，等．鄂尔多斯盆地宜川地区煤储层孔隙特征及其分形规律研究[J]．科学技术与工程，2014，14(1)：5-9． SUN Changhua，TANG Shuheng，WAN Yi，et al.Research on characteristics of coal reservoir porosity and fractal law in Yichuan area of the Ordos Basin[J].Science Technology and Engineering，2014，14(1):5-9.
-
[29] 陈尚斌，朱炎铭，王红岩，等．川南龙马溪组页岩气储层纳米孔隙结构特征及其成藏意义[J]．煤炭学报，2012，37(3)：438-444． CHEN Shangbin，ZHU Yaming，WANG Hongyan，et al.Structure characteristics and accumulation significance of nanopores in Longmaxi shale gas reservoir in the southern Sichuan Basin[J].Journal of China Coal Society，2012，37(3):438-444.
-
[30] 张英，邴慧．基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究[J]．冰川冻土，2015，37(1)：169-174． ZHANG Ying，BING Hui.Experimental study of the effect of freezing-thawing cycles on porosity characters of silty clay by using mercury intrusion porosimetry[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2015，37(1):169-174.
-
[31] 孔令明，梁珂，彭丽云．比表面积对土冻结特征曲线影响的试验研究[J]．岩土力学，2021，42(7)：1883-1893． KONG Lingming，LIANG Ke，PENG Liyun.Experimental study on the influence of specific surface area on the soil-freezing characteristic curve[J].Rock and Soil Mechanics，2021，42(7):1883-1893.
-
[32] 高景然，邱坚，邱冬妮，等．云南剑川海门口遗址饱水古木降解的微观构造分析[J]．文物保护与考古科学，2019，31(6)：72-78． GAO Jingran，QIU Jian，QIU Dongni，et al.Microstructural analysis of the degradation of waterlogged archaeological wood from Haimenkou Sites in Jianchuan County，Yunnan Province[J].Sciences of Conservation and Archaeology，2019，31(6):72-78.
-
[33] 严绍军，彭立洲，农明艳，等．大雁塔盐害及劣化模拟试验研究[J]．文物保护与考古科学，2022，34(1)：71-78． YAN Shaojun，PENG Lizhou，NONG Mingyan，et al.Research on the salt disease and deterioration simulation of the Great Wild Goose Pagoda[J].Sciences of Conservation and Archaeology，2022，34(1):71-78.
-
[34] 张道明，王丽，郭国梁，等．冻融作用对古青砖宏观性能及微观结构劣化的影响[J]．文物保护与考古科学，2021，33(4)：9-15． ZHANG Daoming，WANG Li，GUO Guoliang，et al.Effect of the freeze-thaw on macroscopic properties and microstructural degradation of ancient grey bricks[J].Sciences of Conservation and Archaeology，2021，33(4):9-15.
-
[35] PFEIFER P，WU Y J，COLE M W，et al． Multilayer adsorption on a fractally rough surface[J]． Physical Review Letters，1989，62(17)：1997-2000．
-
[36] 马玲．明清时期锁阳城地区历史环境的若干问题研究[D]．兰州：兰州大学，2018． MA Ling.A study on the historical environment of the Suoyangcheng area during Ming and Qing Dynasties[D].Lanzhou:Lanzhou University，2018.
-
[37] 梁晓磊，牛清河，安志山，等．甘肃瓜州锁阳城南雅丹地貌区起沙风况与输沙势特征[J]．中国沙漠，2019，39(3)：48-55． LIANG Xiaolei，NIU Qinghe，AN Zhishan，et al.Sand-driving wind regime and sand drift potential in the Yardang landform areas of southern Suoyang Town，Guazhou，Gansu，China[J].Journal of Desert Research，2019，39(3):48-55.
-
[38] 马菁毓，张可，程博，等．福建唐代陈元通夫妇墓出土银质文物的微观结构分析[J]．文物保护与考古科学，2009，21(3)：59-66． MA Jingyu，ZHANG Ke，CHEN Bo，et al.Microstructure analysis of silver relics from Tang Dynasty Chen Yuan-tong couple’s tomb in Fujian[J].Sciences of Conservation and Archaeology，2009，21(3):59-66.
-
[39] LOUCKS R G，REED R M，RUPPEL S C，et al． Morphology，genesis，and distribution of nanometer-scale pores in siliceous mudstones of the Mississippian Barnett Shale[J]． Journal of Sedimentary Research，2009，79(12)：848-861．
-
[40] 张虎元，严耿升，赵天宇，等．土建筑遗址干湿耐久性研究[J]．岩土力学，2011，32(2)：347-355． ZHANG Huyuan，YAN Gengsheng，ZHAO Tianyu，et al.Durability of earthen architecture ruins under cyclic wetting and drying[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(2):347-355.
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摘要
在风化因子的持续作用下，土遗址微观结构持续劣化并最终导致宏观病害的发育。微观结构的特征反映了土遗址材料内在的劣化程度，为研究土遗址风化程度与微观孔隙结构变化的关系，采取锁阳城土遗址不同方位城墙土样，采用低温液氮吸附试验测定了土样的比表面积和孔容孔径分布，并基于FHH分形模型计算样品的分形维数；结果表明，锁阳城土遗址不同样品比表面积偏差率高，比表面积数值和分布具有明显差异；孔隙容积变异系数高，离散程度大，存在差异性劣化行为；土样的孔隙形态呈狭缝状、楔形、“墨水瓶”孔、管状孔等多种复杂形态，小于2.765 nm的孔隙大都为封闭透气孔。结合分形维数可知，锁阳城土样具有明显的分形特征，孔隙空间结构不规则，非均质性强，表面粗糙程度大，且分形维数和锁阳城土遗址劣化程度具有一定相关性。本研究关于土样孔隙的定量表征对于土遗址风化劣化研究有着重要意义。
Abstract
Under the persistent action of weathering factors, the microstructure of earthen sites continues to deteriorate, leading eventually to the development of macro diseases. The variation of microstructural characteristics reflects the inherent weathering degree of soil materials. In order to study the correlation between deterioration and the micro-pore structure of the Suoyang earthen site, a low temperature-liquid nitrogen adsorption test was conducted on soil specimens sampled from the city wall in different directions at the site for the determination of specific surface area, pore volume and pore size distribution characteristics, and the fractal dimension of the specimens was calculated based on the FHH fractal model. The research data show that Suoyang soils demonstrated a high deviation rate in specific surface area, and obvious difference in specific surface area of the specimens in different directions. The soils were mainly the micropores with a high coefficient of variation in pore volume and large dispersion degree, corresponding to weathering difference between them. The pore morphology included slit, wedge, “ink bottle”, tubular hole, and other complex forms. The pores less than 2.765 nm were mostly closed pores. In combination with the fractal dimension, it is found the soil specimens featured obvious fractal characteristics, irregular pore space structure, strong heterogeneity and large surface roughness. The fractal dimension had a certain correlation with the weathering or deterioration degree. The quantitative characterization of soil pores is of importance for the evaluation of weathering and deterioration of earthen sites.
沪公网安备 31010102005301号