第三節降雨侵蝕
起草自然科學學科發展戰略調研報告的科學家們,對我國目前石質藏品的自然劣變問題,有著深邃的洞察力。他們在強調風蝕危害的同時,指出了雨淋和酸雨造成的危害,因此,我們在本章中,將圍繞著降雨造成的侵蝕而展開討論。
降雨侵蝕是指降雨時雨滴所提供的動能及酸性物質所引起的侵蝕。此類侵蝕包括高速運動的雨滴對地麵物體所造成的衝蝕磨損,酸性降雨對地表物體所造成的磨損,此外,由降雨引起的地表徑流攜帶泥沙,對地表物體所造成的槳體衝蝕磨損,以及泥沙淤積所造成的淤埋危害等也可作為極端情況下的降雨侵蝕形式而受到關注。
工程領域的研究成果,可為我們解釋降雨侵蝕提供理論依據。廣義上講,大自然的風雨對建築物造成的破壞及地形地貌隨時間的演變都包括有衝蝕作用。因此,這種現象在工程上稱為衝蝕,而在自然界則稱為水土流失。
在討論降雨侵蝕作用可能對地表物體造成危害時,我們既需引用工程領域的研究成果,也需要引用水土保持學的最新成果來豐富保藏學的內容。這充分體現了保藏學是一門涉及文科、理科和工科的綜合性新興學科的特點。
雨滴衝蝕
高速運動的雨滴衝擊材料表麵所造成的衝蝕磨損,被稱為雨滴衝蝕,簡稱為雨蝕。露天條件下的石質藏品,長年經受雨滴衝蝕作用的危害,這種危害的累積效應,成為構成石質藏品破壞景象的重要原因之一。
雨滴衝蝕是流體作用在材料表麵造成的破壞。塑性材料在雨滴的反複衝擊下,可形成數目眾多的凹坑。長期的衝擊作用會加深這些凹坑,有的會出現穿孔現象。屋簷下的滴水穿石就是水滴衝擊作用造成的(當然溶蝕作用也可產生一定影響)。滴水穿石現象具有非常醒目的特點,這是由於它有可比性,其四周被擊穿的部位,已成為公認的穩定參照係。如果石質藏品也有類似的可比性參照物,那麼雨滴衝蝕磨損的危害,便會曆曆在目,觸目驚心。
一、雨滴的衝擊速度
單相流體是液滴衝蝕中最簡單的情況。雨滴是以自由落體的速度衝擊物體表麵的,自由落體速度是指水滴在重力作用下的最終速度,它和水滴的直徑有關。應用這一公式可以求出直徑為3、4、5、6、7胃雨滴的降落末速度。如果降雨時有風,就會對雨滴增加一個側向分速度,此時的合成速度比無風時會有明顯增加。降落緩慢的小雨滴受到的影響微不足道,但降落速度快的大雨所受到的影響顯然不可忽視。
二、雨滴衝蝕理論
單純的雨滴衝擊引起材料表麵破壞的典型實例,是高速穿過雨層飛行的飛機或導彈的衝蝕。人們研究雨滴衝蝕問題的真正動機是對飛機或導彈安全飛行作貢獻。因此,目前我們很難找到石質藏品的雨蝕資料,但可以找到雨滴對剛體類材料(即指材料變形很小或衝擊速度很低的情況)衝蝕磨損的材料。人們在研究雨滴衝蝕剛體類材料時發現,高速雨滴衝擊固體表麵時,有兩種現象發生:在衝擊點上出現高壓應力和液體以衝擊點為中心沿材料表麵的徑向流動。雖然至今尚無一個為大家所公認的理論,來描述球形液滴衝擊固體表麵造成的壓力分布,但從實驗和推理仍可得出定性的結論,即衝擊時會在材料表麵衝擊點上出現壓力峰。
實驗證實,在衝擊之後會立刻出現徑向流動,當相當於直徑為4胃雨滴的降落末速度的液滴衝擊玻璃時,經後開始徑向流勸。其初始速度可達衝擊速度的9倍,時間便下降到與衝擊速度相等的量級。
雨滴衝擊材料表麵的第一個效應是衝擊的壓力峰會造成材料表麵的粗糙,這種粗糙化可影響以後的衝蝕。衝擊壓力峰不完全局限於一個點上,而是在圍繞點的同心圓環上,它的數值差不多是平麵衝擊理論壓力的兩倍,因此,可以在衝擊中心區內觀察到環形變形區,有時甚至會出現撕裂現象,這和第二個效應,即液滴變形後出現的徑向流動有關。
人們設想的液滴衝蝕過程。描繪出液滴衝擊壓產生的環形裂紋,或塑性很大的材料受衝擊時產生的淺凹坑;高速徑向流動沿衝擊區向外擴張,並與附近表麵上的凸峰點相遇時出現剪切所造成裂紋的情況;為另一個隨之而來的液滴使凸峰點開裂;在衝擊區中的深點坑上出現加速破壞,這是衝擊波從坑側麵反彈而出現高能量的微射流作用所引起的。
當液滴第一次衝擊表麵靶材時,其接觸麵積的邊界將以較大的速度擴展,這個速度會超過在液滴中傳輸的壓力衝擊波,在可壓縮液滴與剛性表麵衝擊時。
酸雨的腐蝕磨損
一、概述
腐蝕磨損是一種考慮環境介質影響的磨損過程,它是材料受腐蝕和受磨損的綜合作用過程。在分析這種磨損形式時,既要考慮受腐蝕和受磨損的單獨作用,更要注意它們之間的相互影響和交互作用。
我們在這裏所提到的磨損是指雨滴對大理石的衝蝕磨損。腐蝕是指雨滴中的硫酸成分對大理石的腐蝕。酸雨對大理石表麵造成的破壞既包括傳統的雨滴衝蝕磨損作用(這一作用在非酸性降雨中也同樣發生),也包括酸性水介質對大理石的腐蝕作用。腐蝕作用在酸雨造成的破壞中,具支配地位。雨滴的衝蝕磨損問題我們在上一節討論過,現在著重討論腐蝕問題。
德國科隆大教堂的石壁表麵變得凹凸不平,人們正在把表麵脫落的地方刷上白粉。正麵入口佇立著天使瑪麗婭的石像,但其麵部和身體已有剝落,難以恢複原形。酸雨腐蝕已經把石像表麵腐蝕掉了。
瑞典中央文物保護委員會自1988年起,用了三年時間對酸雨損傷的野外建築物進行調査,發現其損害程度都加大了。
在法國北部的蘭斯聳立著13世紀建造的大教堂,因外牆裝飾有2600座石像而聞名。但是,這些石像中的絕大多數都因酸雨而腐蝕,麵部的形狀已很不清晰。
瑞典農業部82環境委員會對酸雨危害發表了如下的見解:酸雨具有腐蝕性,它使物體表麵形成一層薄膜,並且含有能促進腐蝕的氫和硫酸根離子。最明顯的例子是希臘和意大利的許多古跡。它們經受了千百年風吹雨打,但基本上保持了原樣。可是,僅僅在近幾十年裏,它們遭受到嚴重的破壞。當硫汙染物降落到物體表麵時,與碳酸鈣起化學反應,生成易溶的硫酸鈣,即石膏,隨後被雨水衝走。
上述評論指出了建築物,紀念物遭受酸雨破壞的嚴重性,強調了由轉化成的氏是酸雨的主要腐蝕成分,而且還明確指出酸雨對碳酸鈣的破壞包括介質的化學腐蝕和雨水的衝擊。
美國華盛頓附近的林肯紀念像自1922年以來已被酸雨侵蝕掉厚大理石。法國魯昂教堂表麵受侵蝕,雕像的臉已無凹凸感,變成平臉。作為藝術品表麵幾厘米的深度是十分珍貴的,一旦表層出現的剝落或粉化,藝術品就大為遜色,甚至會失去其文物價值。
就世界範圍而言,酸性降雨目前已成為一種自然現象,而且分布麵相當廣。對於多年觀測結果的平均值而言,全世界各地區的降雨幾乎都是酸性的。歐洲西部和北部的大部分地區降水值在4~5之間。
酸雨造成的腐蝕磨損同其他形式的腐蝕磨損一樣,都是一個物理的、機械的、化學的綜合作用過程。在磨損過程中由於腐蝕介質的作用,材料表麵的機械性能將受到影響,從而降低了材料的耐磨性。如果腐蝕介質在材料表麵生成的腐蝕產物是疏鬆或脆性的,隨後在雨滴的衝蝕磨損過程中就容易破碎去除,從而導致材料磨損率的增加。即使材料表麵不形成這種腐蝕產物,腐蝕過程也會導致材料表麵組織結構的變化。實驗表明,腐蝕對材料去除的影響可占腐蝕磨損總量的70%以上。由此可見,腐蝕在腐蝕磨損過程中所起的決定性作用。
根據腐蝕磨損理論,在磨損過程中,材料表麵往往形成犁溝或衝蝕坑,犁溝兩側或衝蝕坑外緣的凸起部位是塑性變形強烈的部位,因而更容易受到酸性介質的破壞。
磨損過程可以使塑性材料表麵產生的強烈塑性變形,主要集中在犁溝兩側隆起部位或衝蝕坑的邊緣,使這些部位具有較高的位錯密度,並在這些部位形成活化中心,從而使材料具有更大的化學反應活性,即腐蝕活性。