珍妮娜·迈因哈特（Jeannine Meinhardt）

史蒂芬·普费弗科恩（Stephan Pfefferkorn）

钻入阻力（即岩石贯入硬度）指的是测量石材对钻头产生的阻力。此研究方法的前提是钻入阻力与石材强度间可能存在某种联系。这是一种轻微有损的检测方法，用于诊断病害和评估因风化过程或保护措施引起的石材强度的改变。市面上出售的用于测定钻入阻力的仪器有三种。

杜拉博贯入阻力仪（DURABO-Gerät）

该仪器由弗劳恩霍夫建筑物理研究所（Fraunhofer-Institut für Bauphysik）研制，它被安装在一个可滑动的支架上，钻机由电池驱动。该检测法的基础是，在保持相同接触压力与钻头转速的情况下钻一个3 mm或5 mm的钻孔，同时测量对应不同钻入深度的钻入速度。一个标准形状的钻头通过滚轴重砣的重量压入墙体。贯入阻力仪与记录仪同时开始工作，钻头进程由一支与滑动支架相连的铅笔记录。钻头的钻入深度随时间的变化被记录在纸带上（纸带匀速前进），线形图高低变化代表不同钻入深度的钻入阻力。

因各石材强度不同，必须选择不同的贯入压力。贯入压力可设定为1～2 kg重物产生的重力。若贯入压力太小，测得的钻入阻力可能过高；若贯入压力太大，测得的钻入阻力可能就会过低。杜拉博贯入阻力仪有两种运行模式：螺旋钻孔与冲击式钻孔。螺旋钻孔适用于较软的石材类型，而冲击式钻孔则能实现更深的钻入深度。适合的钻头类型有硬质合金钻头、PCD钻头（即多晶金刚石钻头）和金刚石钻头。

使用时需注意：电池的充分充电状态、滑动支架的灵活性以及钻头的磨损状况。

特西斯贯入阻力仪（TERSIS-Gerät）

由Geotron电子研制的特西斯贯入阻力仪与杜拉博贯入阻力仪原理相同。所推荐使用的多晶金刚石钻头（直径3～5 mm）的钻入深度为30 mm，该公司称其钻入深度最深可达80 mm。挂在绳索传动装置上的重物重量可于1～2.5 kg分段调节，借此能使钻头产生相应大小的稳定压力。与杜拉博贯入阻力仪的纸带记录不同，该仪器能将钻入阻力曲线与钻入进程持续显示并保存在一个计算机内。因为该仪器只有螺旋钻入模式，所以其在较硬石材类型上的使用受到限制；又因钻屑量大，基本不可能实现较深的钻入深度。

新特贯入阻力仪（SINT-Gerät）

由新特科技（SINT Technology）研制的新特贯入阻力仪遵循的是另一种测量原理。该仪器使用钻入力测量系统（DFMS） ，基于钻入力（单位为N）的测量来确定钻入阻力的数值；钻入力是在一定边界条件（钻进速度、钻头转速和钻头形状）下，对某种材料钻一个洞所需的力。测量期间，钻进速度与钻头转速保持不变。这些参数是根据不同研究材料所属的硬度分类决定的。测量参数的选择标准如下：对硬度较大的待测石材（例如卡拉拉大理岩）使用较高的钻头转速（1 200 r/min）和较慢的钻进速度（5 mm/min ） ；而对较软多孔的石灰岩则使用较低的钻头转速和较快的钻进速度（20 mm/min） 。

钻入阻力的检测

不管使用何种检测仪器，都需注意：在绝对检测值上，不同仪器的检测结果不具有可比性。岩石贯入硬度（对不同钻入点或不同石材的检测）只具有相对可比性，且测量过程中必须使用同一种仪器以及同一种设置。为确定材料的固化成效，应对已固化的材料和未固化的材料采用同样的钻入力，才能使检测结果之间具有可比性。然而，若因石材固化剂处理后石材强度大幅上升，则通常可不必要求对固化后材料使用与固化前相同的钻入力。因为与未固化的材料相比，已固化的材料要求较高的钻入力。此时，为使检测结果具有可比性，必须在测量记录中记录钻入力的大小。各贯入阻力仪所适合的最大钻入深度也大不相同。根据经验建议：①杜拉博贯入阻力仪的钻入深度不要超过30 mm，因为深度较大时，摩擦力会造成较大误差；而特西斯贯入阻力仪在较浅的深度会产生错误的测量值。②钻轴必须垂直于待测材料表面。③对于不均匀的和纹理粗糙的石材应进行多次钻入实验，才能得到具有代表性的结果（平均值）。④选择测点时需注意，垂直于岩石层理的岩石贯入硬度通常要比平行于岩石层理的高，这是由矿物颗粒的排列决定的。

钻孔过程中，钻头的头部会有磨损。多次使用同一个钻头钻孔，显然会使岩石贯入硬度因钻头的磨损而增大。待测材料含有的石英矿物会使磨损不断加剧，而石灰岩和石膏岩则不会产生钻头磨损。

由于钻屑的阻碍，钻入阻力随着钻入深度的加深而增大。钻屑量带来的影响程度又与待测材料类型及其湿度有很大联系，材料湿度越大、钻屑越细，钻屑量的阻碍效果越大，特别是测量石膏和密度大的石灰岩时，必须考虑钻屑的阻碍所导致的误差。

结果分析

结果分析中将记录不同钻入深度所测得的钻入阻力（比如图2.2.5.1） 。钻入阻力的单位用s/mm比较合适，因为当石材钻入阻力在较低或至中等大小范围内（例如砂岩），这个数值与石材的硬度或强度存在正相关的关系。

若石材硬度很大，其钻入阻力测试方法本身的不稳定性就会在该分析方法下被放大，结果产生一条难以解释的、很不平稳的曲线。温德勒和萨德勒（Wendler &Sattler， 1996）为这种情况制定了另一种分析方法。

若检测使用的是硬质合金钻头，则建议根据钻头磨损程度修正检测结果（Pfefferkorn， 1998） 。

应用范例

在“石质文化遗产监测”课题的框架下，我们对不同的文物进行钻入阻力检测，以检查固化措施的耐久性。下面将概述一些文物的检测结果。(www.daowen.com)

例1：施泰因富特（Steinfurt）施泰因富特宫（Schloss Burgsteinfurt），文艺复兴时期飘窗

目视即可确定， 自1983年最后一次修缮措施（用硅酸乙酯KSE OH固化，其中部分使用丙烯酸树脂固化，再用Wacker 190进行憎水处理）后又产生了新的病害。保护剂的大量使用使包姆贝格石灰砂岩面层十分坚固。而面层下部石材已经风化起皮。大量的层状剥落与浅表性裂隙表明，表层劣化部分与基材几乎没有黏结。图2.2.5.1可见两条钻入阻力的深度曲线，这是分别在两个不同测点测得的结果。曲线1（绿色）展示了石材由外到里强度逐渐增长，曲线2（蓝色）是层状剥落部位的钻入阻力曲线。当钻入深度到达11 mm以后，可见两条曲线走向基本相似。很明显，石材表层材料性能存在很大区别，单纯从钻入阻力测试结果无法确定面层在上一次保护过程中被过度固化了。

图2.2.5.1　施泰因富特施泰因富特宫，文艺复兴时期飘窗钻入阻力曲线

例2：罗森达尔-达菲尔特（Rosendahl-Darfeld），达菲尔特宫（SchlossDarfeld）

两处研究区域（包姆贝格石灰砂岩）的表面都显示出较轻微的粉化剥落和部分层状剥落。对研究区域钻入阻力的测量显示1982—1985年间对文物采用硅酸乙酯KSE Funcosil OH固化措施后，文物表层存在过度的固化。其在钻入阻力曲线上表现为在表层0.5 mm处，钻入阻力水平明显很低，而之后突然攀升到1.7 s/mm，再缓慢降落至1.0 s/mm水平并在附近波动（图2.2.5.2）。

图2.2.5.2　达菲尔特宫钻入阻力曲线

例3：科隆-林登塔尔（Köln-Lindenthal），克里小教堂

克里小教堂的立面在1992年及1993—1998年间进行预加固，石材固化剂使用1∶1稀释的硅酸乙酯 Funcosil OH、 1 ∶ 1稀释的硅酸乙酯 Funcosil 300、 1 ∶ 1稀释的硅酸乙酯 KSE VP9（即约1∶1稀释的硅酸乙酯KSE）。目视勘查结果可确定，研究的立面区域在监测过程中状况良好，这一点也在钻入阻力测量的检测结果中有所反映。通常，所有修缮过的凝灰岩表面（魏贝尔恩凝灰岩）的钻入阻力曲线或多或少呈平稳的变化走向。石材自身的不均匀性会使测量值在一定区域内波动，然而没有发现过度固化的现象（图2.2.5.3） 。

图2.2.5.3　克里小教堂钻入阻力曲线，在替换石材和已固化的魏贝尔恩凝灰岩原材料上测量

例4：克尼格斯温特尔-奥伯普莱斯（Königswinter-Oberpleis），圣潘克拉提乌斯教堂

1999年时用有弹性的硅酸乙酯 KSE对凝灰岩石材（魏贝尔恩凝灰岩和罗马凝灰岩）进行渗透固化，检测中未发现由修缮措施造成石材强度过高的问题（图2.2.5.4）。

图2.2.5.4　克尼格斯温特尔-奥伯普莱斯，圣潘克拉提乌斯教堂钻入阻力曲线

例5：格罗斯耶拿（Großjena），石质浮雕长卷（Steinernes Album）

“石质文化遗产监测”课题组在长卷的12幅浮雕图（彩色砂岩）中选出了几个监测面。其中一个监测面位于浮雕“克里斯蒂安公爵”上。1997年和1999年时曾在这里用硅酸乙酯 KSE Funcosil 100和300进行固化（注射式）。该测点进行了3次测量，平均值如黑色曲线所示（图2.2.5.5） 。该案例再次表明，为了得到有代表性的检测结果，要在所选的监测面上进行多次测量。否则，材料的不均匀性会产生错误的强度曲线，从而产生错误的检测结果。钻入阻力图上的曲线走向明确指出，石材表面（约2～3 mm）是坚固区。之后更深的部分强度均衡，但强度水平相对较低。此检测结果也与文物观察的结果相吻合。因此，石材表面某些区域有坚硬的薄壳，向内则是相对较软的、略有粉化的石材。钻入阻力检测法并不适合给石材强度下定量定论，然而，曲线的走向还是可以大致展现石材强度随深度而变化的特点。

图2.2.5.5　格罗斯耶拿石质浮雕长卷左侧监测面浮雕“克里斯蒂安公爵”钻入阻力曲线