本发明涉及饱水木漆器保护的技术领域，具体涉及一种饱水木质文物含水率的无损检测方法。
背景技术：
在中国南方地区的墓葬中，木质文物在长期的埋藏环境中，木材中的纤维素、半纤维素等成分发生降解，使得木质文物的木材组织呈现疏松多孔的状态，水分渗透填充到木材纤维孔隙中，使得木质文物处于“饱水”状态。通常而言，饱水木质文物越糟朽，其水分率越高，因此含水率是评价饱水木质文物糟朽程度重要的参数之一。
现在用于检测木材基质类文物含水率的方法主要有以下几种：(1)电导法，这种方法对于含水率低于100％的木材样品较为准确，一旦样品含水率超过100％，误差较大，因此对于绝大多数含水率超过200％饱水木质文物而言，这种方法适用范围有限。(2)红外光谱法，这种方法是利用木材中水的吸收峰强度来判断木材的含水率高低，定量计算时必须获取与测试样品相同树种、确定含水率的参比样，因此该方法属于有损检测。(3)烘干法，这是目前各行各业含水率检测应用最广泛的方法，该方法获取的含水率被视为标准数据。如最新公布的文物保护行业标准《出土竹木漆器类文物含水率测定——失重法》中也采用这种方法，但由于烘干法测量时必须裁取试样，且烘干后的样品完全被破坏。因此，迄今为止，还没有一种适用于饱水木质文物含水率的无损检测方法。
技术实现要素：
为了解决上述技术的不足，本发明提供了一种饱水木质文物含水率的无损检测方法。本方法操作步骤简单，成本低，快捷且无须裁样。测试方法全过程对待测木质文物无破坏性，为那些保存完整不能取样或无法取样的木质文物含水率检测提供了可行的技术方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种饱水木质文物含水率的无损检测方法，包括如下步骤：
s1：清理待测饱水木质文物的表面附着物；
s2：准备一个透明容器，装入一定体积的水，将待测木质文物放入容器内；
s3：往容器内缓慢加入乙二醛溶液，直到待测木质文物悬浮于混合液体中；
s4：用量筒量取适当体积的上述混合液体，采用液体天平测量混合液体的密度，记录下测量数值。基于阿基米德原理，在悬浮状态下木质文物的湿态密度(ρss)等于浸入液的密度；
s5：根据饱水木质文物的湿态密度与含水率、灰分含量，获得待测木质文物的含水率数据。
在一些实施例，所述乙二醛溶液的质量分数为40％。
在一些实施例，所述方法仅适用于饱水木质文物的检测。
在一些实施例，所述步骤s3中，混合溶液密度随着乙二醛含量的增加而逐渐增加，待到待测木质文物悬浮于混合液体中，停止加入乙二醛溶液。
在一些实施例，所述步骤s3中，待测文物不能接触容器壁。
在一些实施例，若待测文物为海洋出水木质文物，测试前应析出木材内部杂质，所述杂质包括但不限于盐分、沙粒以及沉积物。
本发明采用的技术方案具体为：
(1)根据饱水木质文物的组成结构，推导饱水木材含水率与湿态密度、灰分含量三者之间的表征关系式：
式(1)中，w为饱水木质文物的含水率(％)，ρss为饱水木质文物的湿态密度(g/cm3)，α为饱水木质文物灰分含量(％)。根据已发表的数据统计，饱水木质文物的灰分含量范围为1.2％～9.5％之间，平均值为5.0％，故这里取其平均值α＝5.0％。
式(1)的推导过程及依据如下：
木质文物在埋藏环境下受到各种因素的影响会发生降解，其中木材中的单宁、色素、生物碱、蛋白质、多糖等成分首先流失。随着时间的推移，构成木材细胞的纤维素、半纤维素和木质素等成分也逐渐发生降解，进而细胞壁逐渐变薄，细胞腔变大，木材组织变得更加疏松多孔，水分逐渐渗透到木材组织内部。设mw为古木含水质量，md为古木绝干质量(由细胞壁基质和少量无机矿物组成)，m0为湿态下的古木质量，根据含水率的定义有：
基本密度(ρso)是木材的一种属性，定义是木材绝干质量(md)与饱水体积(vss)之比。其中，绝干质量是通过在烘箱中蒸发掉水分后获得，体积则采用“饱和水”法，即在测试前使样品呈“浸饱水”状态。为了获得饱和水体积，实际工作中将样品置于真空室使其完全处于浸饱水状态，即vss≈vws。木材湿态密度(ρss)定义是木材湿态质量(m0)与湿态体积(vws)之比，样品的湿态质量可以用分析天平直接测量。根据定义，则有：
联系式(2)，则有：
由于出土的饱水木材中纤维素、半纤维素的流失，灰分的比例较之新鲜木材明显增加。在细胞壁基质减少的情况下，灰分的存在直接影响测得的密度数据，最终影响含水率的大小。此外，测量体积往往采用浮力法进行，即应用阿基米德原理通过排开水的体积来计算样品的体积，对于一些不规则或者体积较小的样品，这种方法测出来的体积与实际体积误差很大，所以采用基本密度计算含水率时必须考虑灰分等杂质的影响。
假设vd为细胞壁的体积，vw为水的体积，va为灰分等杂质的体积，则湿态下古木的体积有：
vss≈vws＝vd+vw+vx………………(5)
假设木材中的灰分所占比例为α，ρa为灰分的密度。根据木材基本密度的定义，有如下推算：
联系式(4)，则有如下关系：
ρa一般在1.8～3.0g/cm3，这里取值2.5g/cm3。ρw为常态下水的密度，取1.0g/cm3。ρd为细胞壁基质的密度。组成木材各种细胞的细胞壁成分主要是纤维素、半纤维素和木素，它们的成分和比例基本相同，因而各种木材的实质密度也是相近的，大约在1.46～1.59g/cm3之间。对于糟朽的木质文物，纤维素、半纤维素降解后含量减少，木质素性质稳定不易降解，木质素的比例上升，因而糟朽木材的实质密度与健康材的实质密度差异较大。对于饱水木材，这里ρd取值1.50g/cm3。
将上述数值代入式(7)，含水率与湿态密度、灰分含量之间存在着式(1)的关系。
(2)把饱水木质文物悬浮于合适密度的混合液体中。采用液体比重天平，测量其混合液体的密度。基于阿基米德的浮力原理，悬浮物体的密度等于浸入液体的密度，因此通过测量混合液体的密度即可获取饱水木质文物的湿态密度(ρss)。
(3)在一定的灰分含量下，根据测得的湿态密度数据，应用式(1)即可计算饱水木质文物的含水率结果。
为检验本发明测试结果的准确性，采用《出土竹木漆器类文物含水率测定——失重法》对同一待测文物进行测试，二者结果相对误差在5％以内。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)基于饱水木材的组成推导得到表征木材样本含水率、湿态密度、灰分含量之间的关系方程式，从而创新地提出一种新的饱水木质文物含水率无损检测方法。实际应用中通过测试木质文物悬浮状态下的液体密度即可应用式(1)获取待测木质文物的含水率数据。
(2)本发明的检测方法快速便捷，能在数分钟内给出准确数据。对于饱水木质文物，该方法的优点十分明显。由于过程用时短，对文物的伤害几乎可以忽略。对于糟朽的木质文物而言，测试过程中暴露于空气会引起器物的收缩变形，时间过长甚至产生毁灭性的伤害。
(3)本发明的方法步骤简单，无需操作人员进行大量复杂的工作、所用设备成本低廉，且得到的数据准确、可靠。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述说明：
为检测本方法的准确性和可靠性，选择五个饱水木质文物进行测试。
实施例1
采取如下步骤：
(1)选取淮北金色云天北苑(火车站南广场)工地出土的木牍001。木牍001试样描述如下：长方形薄片，厚度为3mm，长宽分别为5cm、3cm。
(2)清理表面泥土。
(3)准备一个透明容器，装入一定体积的水，将待测木质文物放入容器内。
(4)往容器内缓慢加入质量分数为40％乙二醛溶液，直到待测木质文物悬浮于混合液体中。
(5)用量筒量取容器内适当体积的混合液体，采用液体天平测量混合液体的密度，获取待测木质文物的湿态密度，应用式(1)计算得出待测文物的含水率为656.2％。
(6)将木牍001按照《出土竹木漆器类文物含水率测定—失重法》规定的程序进行测试，获取含水率标准数据为674.3％。
实施例2：
包括如下步骤：
(1)选取淮北金色云天北苑(火车站南广场)工地出土的木牍002。木牍002试样描述如下：长方形薄片，厚度为3mm，长宽分别为4.2cm、3cm。
(2)清理表面泥土。
(3)准备一个透明容器，装入一定体积的水，将待测木质文物放入容器内。
(4)往容器内缓慢加入质量分数为40％乙二醛溶液，直到待测木质文物悬浮于混合液体中。
(5)用量筒量取容器内适当体积的混合液体，采用液体天平测量混合液体的密度，获取待测木质文物的湿态密度，应用式(1)计算得出待测文物的含水率为255.3％。
(6)将木牍002按照《出土竹木漆器类文物含水率测定—失重法》规定的程序进行测试，获取含水率标准数据251.8％。
实施例3：
包括如下步骤：
(1)选取安徽省天长市纪庄汉墓出土的1036-3彩绘漆耳杯残片。1036-3彩绘漆耳杯残片试样描述如下：不规则形状，漆膜脱落，可见漆灰层。。
(2)清理漆灰层。
(3)准备一个透明容器，装入一定体积的水，将待测木质文物放入容器内。
(4)往容器内缓慢加入质量分数为40％乙二醛溶液，直到待测木质文物悬浮于混合液体中。
(5)用量筒量取容器内适当体积的混合液体，采用液体天平测量混合液体的密度，获取待测木质文物的湿态密度，应用式(1)计算得出待测文物的含水率为896.7％。
(6)将1036-3彩绘漆耳杯残片按照《出土竹木漆器类文物含水率测定—失重法》规定的程序进行测试，获取含水率标准数据为932.1％。
实施例4：
包括如下步骤：
(1)选取安徽省天长市纪庄汉墓出土的1037-1木梳残样。1037-1木梳残样试样描述如下：木梳齿，重量为3.0g。
(2)清理表面泥土。
(3)准备一个透明容器，装入一定体积的水，将待测木质文物放入容器内。
(4)往容器内缓慢加入质量分数为40％乙二醛溶液，直到待测木质文物悬浮于混合液体中。
(5)用量筒量取容器内适当体积的混合液体，采用液体天平测量混合液体的密度，获取待测木质文物的湿态密度，应用式(1)计算得出待测文物的含水率为402.7％。
(6)将1037-1木梳残样按照《出土竹木漆器类文物含水率测定—失重法》规定的程序进行测试，获取含水率标准数据为399.2％。
实施例5：
包括如下步骤：
(1)选取安徽省天长市宋桥战国墓出土的木胎漆盘残样。木胎漆盘残样试样描述如下：不规则形状，可见漆灰层，重7.4g。
(2)清理漆灰层。
(3)准备一个透明容器，装入一定体积的水，将待测木质文物放入容器内。
(4)往容器内缓慢加入质量分数为40％乙二醛溶液，直到待测木质文物悬浮于混合液体中。
(5)用量筒量取容器内适当体积的混合液体，采用液体天平测量混合液体的密度，获取待测木质文物的湿态密度，应用式(1)计算得出待测文物的含水率为613.8％。
(6)将木胎漆盘残样按照《出土竹木漆器类文物含水率测定—失重法》规定的程序进行测试，获取含水率标准数据611.0％。
参考表1，对上述五个样品的结果，与《出土竹木漆器类文物含水率测定—失重法》获取的标准数据进行误差统计分析，相对误差均在5％以内，验证了检测结果的准确性和可靠性。
表1同一样品本发明测得含水率与标准值比较