比约恩·塞瓦尔德（Björn Seewald）

测量规范

根据抗折强度检测的实验装置，威特曼和普利姆（Wittmann & Prim， 1983）曾研究出一种特殊的检测装置，用于测定材料切片的双轴抗折强度。检测样本为固定直径的圆形切片。在样本上所施加的力不是直线型分布的，而是环形的。

石材切片将被置于一个稍大的环形支架上，通过一个较小一点的荷载环从上向下压直至断裂。两环直径比是固定的，为1∶3。上方荷载环的尺寸应限定为直径d＞10 mm，因为如果上环的直径再变小，其所施加的力将会是点状的。

该检测方法的优点在于能通过剪切岩芯的切片产生一条强度曲线，而该曲线能提供石材风化深度或石材固化剂效果方面的信息。

在检测带有纹理的石材时需确认本次检测是垂直还是平行于岩石层理进行的。

实验过程

监测前，样本需置.于20℃及65%相对湿度的标准环境下。所有样本都须统一遵守这些条件，并记录在检测报告中，因为湿度对某些石材的强度有很大影响。其他实验条件也需要记录在检测报告中，饱水状态下测试的系列样本必须作相应标记。

将被切片用作测试样品的岩芯的直径由石材结构决定。粒径介于0.1～0.3 mm的颗粒细腻的石材，取样岩芯的直径达50 mm即可，此时对应在文物上的钻孔直径为55 mm。粒径介于0.5～1.0 mm的颗粒较粗的石材，取样岩芯的直径需达80～100 mm 。

岩石切片的直径与厚度比必须保持在1∶10。^[2]若岩石切片的直径为50 mm，则其厚度应为5 mm；若直径为80 mm，则厚度应为8 mm。厚度既不能过厚，也不能过薄。同时必须小心注意使岩石切片的表面完全平整且平行于平面。

岩石切片下表面所接触的支架工件的内部有一个感应式距离传感器，能在施加荷载的同时帮助测量切片破裂时的力。实验中，应保持1 mm/min的均匀形变速度施加压力，并记录保持此形变速度所需压力，画出压力-形变曲线图。

图2.2.6.1清晰地展示了实验装置。从下往上依次是支撑切片的支架工件、下环形支架、岩石切片、上荷载环（在球节上带止动弹簧）、上荷载环固定装置、加固装置、称重传感器。

图2.2.6.1　用于双轴抗折强度检测的环形支架实验装置（图片来源：Bayerisches LandesamtfürDenkmalpflege）

检测计算

抗折强度βBZF

用测得的使岩石切片断裂的最大折断力，可通过方程计算出环形支架实验装置上样本的双轴抗折强度βBZF。计算公式如下：

式中，βBZF为双轴抗折强度，单位为MPa或N/mm2； Fmax为荷载环施加的最大压力，单位为N； d为岩石切片厚度，单位为mm； v为泊松比，石材v=0.25； a为环形支架半径，单位为mm； b为荷载环半径，单位为mm；r为岩石切片半径，单位为mm。

弹性模量E

因为实验装置可测量形变，所以通过实验亦可计算出弹性模量E，但它不可与单轴抗折实验测得的弹性模量E进行比较。弹性模量E是当压力达到1/3最大折断力时在形变的线性弹性范围内测得的，计算公式如下：

式中，E为静态弹性模量，单位为MPa或N/mm2 ； F为1/3的荷载环最大压力，即1 /3Fmax，单位为N； f为1/3最大折断力时岩石切片的形变，单位为mm 。

该公式未考虑2008年柯祖波（Kozub）提出的修正建议。因为假如在分母中引入常量π，计算得到弹性模量的值会很小，这样计算得到的极低弹性模量值与单轴抗折实验测得的弹性模量值之间毫无相关性。

抗折强度βBZF与弹性模量E的关系

使用固化剂处理建筑立面不应导致石材表面强度的过度增加，否则会产生层状剥落的危险。为实现理想的强度曲线，双轴抗折强度βBZF和弹性模量E应保持同比例上升。以未处理材料的双轴抗折强度βBZF与弹性模量E之比为参照点，按双轴抗折强度βBZF与弹性模量E理想的恒定比定义了一个恒定的形变，称之为特殊应变εspez。若特殊应变εspez在应变过程中未超过临界点，则很大程度上保证了形变发生在弹性区，故此时形变是可逆的。

式中， ε为应变，单位为mm； σ为应力，单位为N/mm2。

在评估已处理材料与未处理材料的兼容性时，相较于抗折强度，弹性模量E的变化是更重要的参考。弹性模量E的增长应小于抗折强度增长：

(www.daowen.com)

式中，b表示已处理材料；u表示未处理材料。

但这些理想条件在实践中往往无法实现。弹性模量E通常增长得比抗折强度快。在石质文物保护工程中选用的固化剂越是适宜，其在E与β的相关性坐标中会越接近表示特殊应变εspez的那条直线。

双轴抗折强度的测定要求提取直径为几厘米的岩芯。因此，该检测方法对文物总有所损伤，也因此必须事先权衡利弊。基本上，对于雕塑不会考虑这种检测方法；而对于建筑立面所用的石砌块，该方法则比较合适，例如在慕尼黑古绘画陈列馆所做的检测。检测时先在石砌块钻孔，检测后修补好因此导致的损伤，在视觉上不会破坏文物建筑立面的总体形象。

双轴抗折强度检测的意义在于，通过检测了解风化过程对石材强度的影响以及固化措施的效果。因此，基于岩芯切片实验绘制深度-抗折强度曲线时，应至少包括岩石已固化的和风化了的区域，同时也应测定一块未风化、未处理的岩芯切片的双轴抗折强度，以作对比。其中一块切片应完好地保存，后可用于修补钻孔。

结果分析

测量结果分析过程中，建议取岩芯测量已风化部位的强度变化，并与未处理、未风化部位上测得的参考值比较。若存在历史研究的检测结果，那么对比现在的检测结果和历史数据则更有意义。对比示例可见图2.2.6.2、图2.2.6.3慕尼黑古绘画陈列馆的雷根斯堡绿砂岩一例。

图2.2.6.2和图2.2.6.3展示了雷根斯堡绿砂岩四种类型中类型Ⅱ不同年份抗折强度的检测结果。图2.2.6.2展现了20世纪80年代以来固化处理部位初始强度的变化：图中实线表示第一次保护措施实施前已风化、未处理石材的强度状况，虚线显示1990年实施保护措施后石材的抗折强度显著提升；柱状图则分别表示2002年和2008年检测时的状况。很显然，1990—2002年间，石材强度再次接近实施固化措施前的原始状况，甚至差于原始状况。

图2.2.6.3说明了2002年石材固化剂的再处理是如何改变石材强度的。此例中使用的石材固化剂产品为Funcosil 300 E和Funcosil H（出自Remmers建材科技公司）。图中虚线^[3]再次给出2002年石材再处理前的强度状况，以供比较；灰色柱子表示2002年再处理后的石材强度状况，可见其强度有所增长；黑色柱子表示2008年测得的于2002年再处理后的石材强度状况。显然，2002年的再固化使石材抗折强度在之前减弱的区域有所增强，因而产生了一条较为平衡的强度曲线。然而6年之后，2008年测得的部分区域的石材抗折强度依然再次减弱。

图2.2.6.2　雷根斯堡绿砂岩，类型Ⅱ， 1990年固化处理部位抗折强度变化

图2.2.6.3　雷根斯堡绿砂岩，类型Ⅱ， 2002年再处理后抗折强度变化

图2.2.6.3在5 mm深度处还显示了不符合逻辑的偏差，即2008年测得的石材抗折强度比2002年增加了大约1～1.5 MPa，产生偏差的原因可能是石材的不均匀性。

与其他检测方法结果的关联

为验证检测结果，建议将双轴抗折强度的检测结果与其他检测方法的结果进行关联。尤其是超声波速检测法与岩石贯入硬度检测法，它们同样也采用深度曲线展示石材强度的检测结果。

抗折强度与超声波速的关联是有事实依据的，这两个参数都与石材密度和强度有关。石材强度越高，超声波速越快。因此，可将双轴抗折强度检测与超声波速检测的结果两相比对，即可互成佐证，以提高检测的可信度。在同一深度上，超声波速检测需在钻取岩芯作抗折强度实验之前实施。

岩石贯入阻力的测量需直接在岩芯取样点附近进行。该检测能得出一条连续的强度曲线，与抗折强度曲线具有可比性。因为岩石贯入阻力测量法的依据是钻入阻力随石材强度的增加而增大。但是由于用金刚石钻头测量岩石钻入阻力，只能到达几厘米的钻入深度，因此未处理或未风化状态岩芯块的钻入阻力需在实验室检测。

存档记录

为实施可能的后续研究，一份认真记录的存档文件是不可或缺的。文档记录的要求是能使其他研究人员也知道建筑测量点在哪里、是何时做的检测以及相关的检测结果有哪些。

在此建议，在合适的图示或照片上明确标注测点及其名称，这些也应记录在检测报告中。

存档文件上必须清楚写明以下七点：

·测点位于哪栋建筑物，哪个建筑部位，哪个立面；

·检测区域的名称（照片或图示中必须使用相应名称）；

·材料类型，即石材类型的确切名称；

·处理类型，即使用的保护剂以及处理日期；

·取样日期；

·检测日期；

·样本保存或检测时的实验室条件。

以往的研究文件必须保存，以用于与最新检测结果作对比。只有这样才能观测到石材强度随时间的变化过程。检测方法评估

双轴抗折强度检测法已在实践中被证明可行，因为通过该检测方法能根据岩芯情况绘制一条强度曲线。同时，该方法能用深度-抗折强度曲线展现风化过程或保护措施对石质文化遗产石材强度的影响。该方法的检测结果也能与其他检测方法得到的曲线相关联，尤其是岩石贯入硬度与超声波速。然而，“石质文化遗产监测”课题框架下双轴抗折强度检测的结果（慕尼黑古绘画陈列馆和弗莱德斯罗修道院教堂）也体现了该检测法的局限： 由于石材固化措施6年后效果会退化，因此建议以6年左右为周期进行强度复查。这就意味着每次使用该检测方法时，都必须钻取一块岩芯，但是没有一个建筑物经得起这样的定期检测。因此，在决定为测定双轴抗折强度而钻取岩芯前，必须先考虑其他的替代检测方法。