Въведение
Изпечената червена глина е специфична археологическа находка, образувана в резултат на древните човешки дейности, свързани с огъня, и се среща широко в жилищни обекти, грънчарски пещи, жертвени ями и други останки от неолита до историческите епохи. Тя служи като пряко физическо доказателство за изучаване на технологиите за използване на огъня, архитектурните техники и стратегиите за прехрана на древните хора [1]. Като ключов физико-химичен показател за изгорялата червена глина, първоначалната температура на изпичане не само отразява способността на древните хора да контролират огъня и зрелостта на технологията на изпичане, но и предоставя важна основа за извеждане на заключения относно социалната производителност и моделите на използване на ресурсите [2].
Определяне на температурата на изпичане
Дилатометрията (DIL) постепенно се превърна в една от най-широко използваните техники за определяне на температурата на изпичане на археологическа изпечена червена глина благодарение на лесното си приложение, минималното увреждане на пробите, високата точност на измерването и добрата повторяемост. Изпечената червена глина е претърпяла дехидратация, дехидроксилиране, фазова трансформация и първоначално синтероване по време на древното изпичане, образувайки стабилна микроструктура. Следователно при повторно изпичане, когато температурата е по-ниска от първоначалната температура на изпичане, пробата проявява само обратимо термично разширение на решетката; веднага щом температурата надвиши първоначалната температура на изпичане, остатъчните аморфни фази и несинтеризираните микрообласти вътре в пробата претърпяват по-нататъшно уплътняване, което води до ефект на свиване, потискащ термичното ѝ разширение[3]. Този метод е широко прилаган в изследванията за определяне на температурата на археологически останки.
Пробата, използвана в настоящото изследване, е прясна, неизветряла изпечена червена глина от определен археологически обект, обработена в правоъгълен паралелепипед с равномерно напречно сечение и дължина от приблизително 25 mm (фигура 1). Изпитванията бяха проведени с помощта на дилатометър „ NETZSCH “ DIL 402 Expedis® Classic .
Параметрите на изпитването са подробно описани в таблица 1. Бяха проведени пет цикъла на нагряване, два от които с крайна температура 400 °C и три с крайна температура 500 °C. След всеки тест пробата се охлаждаше в пещта до стайна температура, за да се гарантира едно и също начално състояние за всеки цикъл на нагряване и да се елиминира влиянието на различаващите се начални състояния върху резултатите от теста.
Таблица 1: Условия за измерване
| Уред | DIL 402 Expedis® Classic |
|---|---|
| Размери на пробата | Правоъгълна призма, приблизително 10 x 10 x 25 mm |
| Скорост на нагряване | 5 K/min |
| Статична сила | 100 mN |
| Държач за проба | Държач от стопен кварц |
| Температурен диапазон | Стайл - 400°C, Стайл - 500°C |
| Атмосфера | Азот (инертна атмосфера) |
Резултати и обсъждане
Както е посочено в литературата [3], по време на първоначалния процес на изпичане глинестите минерали в изпечената червена глина (например илит, монтморилонит) претърпяват дехидратация, дехидроксилиране и структурна реорганизация при определени температури, като образуват метастабилна микроструктура. Когато температурата на повторното изпичане е под прага на първоначалното изпичане, в пробата не настъпва нова фазова промяна, а се наблюдава само физическо термично разширение, поради което двете криви на нагряване се припокриват. Когато температурата на повторното изпичане надвиши първоначалната температура на изпичане, по време на първото нагряване възникват допълнителни необратими реакции (например отстраняване на остатъчна структурна вода, запълване на дефекти в решетката), което води до повишена степен на уплътняване. Следователно по време на второто нагряване способността за термично разширение на пробата намалява, което макроскопично се отразява чрез намален наклон и общо изместване надолу на кривата dL/L₀. Въз основа на това може да се определи диапазонът на първоначалната температура на изпичане.
Както е показано на фигура 2, може да се наблюдава, че:
- В диапазона от стайна температура до 400 °C: кривата на първото повторно изпичане (крива [1]) и кривата на второто повторно изпичане (крива [2]) почти напълно се припокриват по време на целия процес на нагряване, с почти идентични наклони (коефициенти на термично разширение) в линейния участък и без очевидно отклонение или изместване надолу.
- В диапазона от стайна температура до 500 °C: тенденцията на третата крива на повторно изпичане (крива [3]) съвпада с кривите [1] и [2] под 400 °C. Четвъртата крива на повторно изпичане (крива [4]) обаче показва значителна промяна по време на нагряването, като се наблюдава общо изместване надолу и значително по-малък наклон в сравнение с предходните три криви. За да се потвърди резултатът, беше извършен пети цикъл на повторно изпичане (крива [5]) до 500 °C. Вижда се, че кривата [5] почти напълно се припокрива с кривата [4], което потвърждава, че пробата става стабилна след нагряване до 500 °C.
Средният коефициент на топлинно разширение (m.Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE) за всяка крива на повторно изпичане е посочен в таблица 2. Въз основа на резултатите от изпитванията може да се заключи, че първоначалният температурен диапазон на изпичане на пробата е > 400 °C и ≤ 500 °C.
Таблица 2: mCTE за всяка крива на повторно изгаряне
| Температурен диапазон | Крива [1] | Крива [2] | Крива [3] | Крива [4] | Крива [5] |
| RT – 400 °C | 9,71×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,73×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,60×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,33×10⁻⁶K⁻¹ | 9,29×10⁻⁶K⁻¹ |
| RT – 500 °C | - | - | 11,40×10⁻⁶ K⁻¹ | 10,76×10⁻⁶ K⁻¹ | 10,69×10⁻⁶ K⁻¹ |
Резюме
Използването на дилатометрията (DIL) за анализ на температурите на изпичане на изпечените глини се основава на необратимостта на термичното поведение на глинестите минерали. Чрез определяне на промяната в наклона на кривата на разширение по време на повторно изпичане, този метод позволява точно да се определи първоначалният температурен диапазон на изпичане на археологическата изпечена червена глина. Този метод се отличава с лесно за прилагане тестване, ясни критерии, висока прецизност и минимално увреждане на пробите, което го прави подходящ за ценни археологически находки. Това е надеждна техника за определяне на максималната температура на нагряване на изпечени артефакти на глинена основа. Процесите, които могат да повлияят на резултатите, трябва да бъдат изключени.