Úvod
Spálená červená hlína je zvláštní pozůstatek vzniklý v důsledku dávných lidských činností spojených s ohněm, který se hojně vyskytuje v obydlích, hrnčířských pecích, obětních jámách a dalších pozůstatcích od neolitu až po historická období. Slouží jako přímý fyzický důkaz pro studium technologií využívání ohně, architektonických postupů a strategií obživy dávných lidí [1]. Původní teplota vypalování, jakožto klíčový fyzikálně-chemický ukazatel spálené červené hlíny, nejen odráží schopnost pravěkých lidí ovládat oheň a vyspělost technologie vypalování, ale také poskytuje důležitý základ pro odvození sociální produktivity a vzorců využívání zdrojů [2].
Stanovení teploty výpalu
Dilatometrie (DIL) se postupně stala jednou z nejčastěji používaných technik pro stanovení teploty vypalování archeologické spálené červené hlíny, a to díky své snadné použitelnosti, minimálnímu poškození vzorku, vysoké přesnosti měření a dobré opakovatelnosti. Spálená červená hlína prošla během starověkého vypalování dehydratací, dehydroxylací, fázovou transformací a počátečním slinováním, čímž vznikla stabilní mikrostruktura. Proto při opětovném vypalování, kdy je teplota nižší než původní teplota vypalování, vykazuje vzorek pouze reverzibilní tepelnou roztažnost mřížky; jakmile teplota překročí původní teplotu vypalování, zbytkové amorfní fáze a nespečené mikroregiony uvnitř vzorku procházejí dalším zhutněním, což vyvolává smršťovací efekt, který potlačuje jeho tepelnou roztažnost[3]. Tato metoda se široce uplatňuje ve výzkumu určování teploty archeologických nálezů.
Vzorek použitý v této studii je čerstvá, nezvětralá vypálená červená hlína z určitého archeologického naleziště, zpracovaná do podoby pravoúhlého kvádru s pravidelným průřezem a délkou přibližně 25 mm (obrázek 1). Zkoušky byly provedeny pomocí NETZSCH DIL 402 Expedis®Classic .
Parametry zkoušky jsou podrobně uvedeny v tabulce 1. Bylo provedeno pět zahřívacích cyklů, z nichž dva s konečnou teplotou 400 °C a tři s konečnou teplotou 500 °C. Po každém testu byl vzorek ochlazen v peci na pokojovou teplotu, aby byl zajištěn stejný výchozí stav pro každý ohřev a aby se vyloučil vliv odlišných výchozích stavů na výsledky testů.
Tabulka 1: Podmínky měření
| Přístroj | DIL 402 Expedis®Classic |
|---|---|
| Rozměry vzorku | Obdélníkový hranol, cca 10 × 10 × 25 mm |
| Rychlost ohřevu | 5 K/min |
| Statická síla | 100 mN |
| Držák vzorku | Držák z taveného křemene |
| Teplotní rozsah | pokojová teplota – 400 °C, pokojová teplota – 500 °C |
| Atmosféra | Dusík (inertní atmosféra) |
Výsledky a diskuze
Jak je uvedeno v literatuře [3], během původního procesu vypalování dochází u jílových minerálů v vypálené červené hlíně (např. illit, montmorillonit) při určitých teplotách k dehydrataci, dehydroxylaci a strukturální reorganizaci, čímž vzniká metastabilní mikrostruktura. Pokud je teplota opětovného vypalování nižší než prahová hodnota původního vypalování, nedochází uvnitř vzorku k žádné nové fázové změně, ale pouze k fyzikální tepelné roztažnosti, takže se obě zahřívací křivky překrývají. Pokud teplota opětovného vypalování překročí původní vypalovací teplotu, dochází během prvního zahřívání k dalším nevratným reakcím (např. odstranění zbytkové strukturální vody, zacelení defektů mřížky), což vede ke zvýšenému stupni zhutnění. V důsledku toho se během druhého ohřevu snižuje tepelná roztažnost vzorku, což se makroskopicky projevuje sníženým sklonem a celkovým posunem křivky dL/L₀ směrem dolů. Na tomto základě lze určit rozsah původní teploty vypalování.
Jak je znázorněno na obrázku 2, lze pozorovat, že:
- V rozmezí od pokojové teploty (RT) do 400 °C: první křivka opětovného vypalování (křivka [1]) a druhá křivka opětovného vypalování (křivka [2]) se během celého procesu ohřevu téměř zcela překrývají, s téměř identickými sklony (koeficienty tepelné roztažnosti) v lineární oblasti a bez zjevné odchylky či posunu směrem dolů.
- V rozsahu od RT do 500 °C: průběh třetí křivky opakovaného vypalování (křivka [3]) je pod 400 °C v souladu s křivkami [1] a [2]. Čtvrtá křivka opakovaného vypalování (křivka [4]) však během zahřívání vykazuje významnou změnu, a to celkový posun směrem dolů a výrazně menší sklon než předchozí tři křivky. Pro ověření výsledku byl proveden pátý cyklus opakovaného vypalování (křivka [5]) až do teploty 500 °C. Je patrné, že křivka [5] se téměř zcela překrývá s křivkou [4], což potvrzuje, že vzorek se po zahřátí na 500 °C stabilizuje.
Průměrný koeficient tepelné roztažnosti (m.Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE) jednotlivých křivek opakovaného vypalování je uveden v tabulce 2. Na základě výsledků zkoušek lze usoudit, že původní teplotní rozsah vypalování vzorku je > 400 °C a ≤ 500 °C.
Tabulka 2: Hodnota mCTE pro každou křivku opětovného zapálení
| Teplotní rozsah | Křivka [1] | Křivka [2] | Křivka [3] | Křivka [4] | Křivka [5] |
| RT – 400 °C | 9,71×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,73×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,60×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,33×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,29×10⁻⁶ K⁻¹ |
| RT – 500 °C | - | - | 11,40 × 10⁻⁶ K⁻¹ | 10,76 × 10⁻⁶ K⁻¹ | 10,69 × 10⁻⁶ K⁻¹ |
Shrnutí
Využití dilatometrie (DIL) k analýze teplot vypalování spálených jílů je založeno na nevratnosti tepelného chování jílových minerálů. Na základě identifikace změny sklonu expanzní křivky během opětovného vypalování lze přesně určit původní teplotní rozsah vypalování archeologického spáleného červeného jílu. Tato metoda se vyznačuje uživatelsky přívětivým prováděním testů, jasnými kritérii, vysokou přesností a minimálním poškozením vzorků, díky čemuž je vhodná pro cenné archeologické pozůstatky. Jedná se o spolehlivou techniku pro stanovení maximální teploty vypaľování pálených artefaktů na bázi jílu. Procesy, které by mohly ovlivnit výsledky, musí být vyloučeny.