Εισαγωγή
Ο καμένος κόκκινος πηλός είναι ένα ιδιαίτερο αρχαιολογικό εύρημα που σχηματίζεται από τις αρχαίες ανθρώπινες δραστηριότητες που σχετίζονται με τη φωτιά και απαντάται ευρέως σε οικιστικούς χώρους, κεραμικά καμίνια, λάκκους θυσίας και άλλα ευρήματα από τη Νεολιθική Εποχή έως τις ιστορικές περιόδους. Αποτελεί άμεση φυσική απόδειξη για τη μελέτη της τεχνολογίας χρήσης της φωτιάς, των αρχιτεκτονικών τεχνικών και των στρατηγικών διαβίωσης των αρχαίων ανθρώπων [1]. Ως βασικός φυσικοχημικός δείκτης του καμένου κόκκινου πηλού, η αρχική θερμοκρασία πυρόλυσης όχι μόνο αντανακλά την ικανότητα των αρχαίων ανθρώπων να ελέγχουν τη φωτιά και την ωριμότητα της τεχνολογίας πυρόλυσης, αλλά παρέχει επίσης μια σημαντική βάση για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την κοινωνική παραγωγικότητα και τα πρότυπα αξιοποίησης των πόρων [2].
Προσδιορισμός της θερμοκρασίας πυρόλυσης
Η διαλατομετρία (DIL) έχει καταστεί σταδιακά μία από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας ψησίματος του αρχαιολογικού καμένου κόκκινου πηλού, λόγω της ευκολίας χρήσης της, της ελάχιστης φθοράς του δείγματος, της υψηλής ακρίβειας μέτρησης και της καλής επαναληψιμότητας. Ο καμένος κόκκινος πηλός έχει υποστεί αφυδάτωση, αποϋδροξυλίωση, μετασχηματισμό φάσης και αρχική πυροσυσσωμάτωση κατά τη διάρκεια της αρχαίας όπτησης, σχηματίζοντας μια σταθερή μικροδομή. Επομένως, κατά τη διάρκεια της επαναπυρόλυσης, όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από την αρχική θερμοκρασία πυρόλυσης, το δείγμα παρουσιάζει μόνο αναστρέψιμη θερμική διαστολή του πλέγματος· μόλις η θερμοκρασία υπερβεί την αρχική θερμοκρασία πυρόλυσης, οι υπολειμματικές άμορφες φάσεις και οι μη πυροσυσσωματωμένες μικροπεριοχές στο εσωτερικό του δείγματος υφίστανται περαιτέρω πυκνότητα, προκαλώντας ένα φαινόμενο συρρίκνωσης που καταστέλλει τη θερμική του διαστολή[3]. Η μέθοδος αυτή έχει εφαρμοστεί ευρέως στην έρευνα για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας αρχαιολογικών ευρημάτων.
Το δείγμα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη είναι φρέσκος, μη διαβρωμένος καμένος κόκκινος πηλός από συγκεκριμένο αρχαιολογικό χώρο, ο οποίος επεξεργάστηκε σε ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο με κανονική διατομή και μήκος περίπου 25 mm (εικόνα 1). Οι δοκιμές διεξήχθησαν με τη χρήση ενός NETZSCH DIL 402 ExpedisClassic .
Οι παράμετροι της δοκιμής αναφέρονται λεπτομερώς στον πίνακα 1. Πραγματοποιήθηκαν πέντε κύκλοι θέρμανσης, δύο από τους οποίους με τελική θερμοκρασία 400 °C και τρεις με τελική θερμοκρασία 500 °C. Μετά από κάθε δοκιμή, το δείγμα ψύχθηκε εντός του κλιβάνου έως τη θερμοκρασία δωματίου, προκειμένου να εξασφαλιστεί μια ομοιόμορφη αρχική κατάσταση για κάθε κύκλο θέρμανσης και να εξαλειφθούν οι παρεμβολές που θα μπορούσαν να προκληθούν στα αποτελέσματα της δοκιμής από διαφορετικές αρχικές καταστάσεις.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Όργανο | DIL 402 ExpedisClassic |
|---|---|
| Διαστάσεις δείγματος | Ορθογώνιο πρίσμα, περίπου 10 x 10 x 25 mm |
| Ρυθμός θέρμανσης | 5 K/min |
| Στατική δύναμη | 100 mN |
| Βάση δείγματος | Βάση από πυριτικό γυαλί |
| Εύρος θερμοκρασίας | Θερμοκρασία δωματίου - 400 °C, Θερμοκρασία δωματίου - 500 °C |
| Ατμόσφαιρα | Άζωτο (αδρανής ατμόσφαιρα) |
Αποτελέσματα και Συζήτηση
Όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία [3], κατά τη διάρκεια της αρχικής διαδικασίας ψησίματος, οι αργιλικοί ορυκτοί του ψημένου κόκκινου πηλού (π.χ. ιλλίτης, μοντμοριλονίτης) υφίστανται αφυδάτωση, αποϋδροξυλίωση και δομική αναδιοργάνωση σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες, σχηματίζοντας μια μετασταθή μικροδομή. Όταν η θερμοκρασία επαναπυρόλυσης είναι χαμηλότερη από το αρχικό όριο πυρόλυσης, δεν συμβαίνει καμία νέα αλλαγή φάσης στο εσωτερικό του δείγματος και λαμβάνει χώρα μόνο φυσική θερμική διαστολή, οπότε οι δύο καμπύλες θέρμανσης αλληλεπικαλύπτονται. Όταν η θερμοκρασία της επαναπυρόλυσης υπερβαίνει την αρχική θερμοκρασία πυρόλυσης, κατά τη διάρκεια της πρώτης θέρμανσης λαμβάνουν χώρα επιπλέον μη αναστρέψιμες αντιδράσεις (π.χ. απομάκρυνση υπολειμματικού δομικού νερού, αποκατάσταση ελαττωμάτων του πλέγματος), με αποτέλεσμα τον αυξημένο βαθμό πυκνώσεως. Κατά συνέπεια, κατά τη διάρκεια της δεύτερης θέρμανσης, η ικανότητα θερμικής διαστολής του δείγματος μειώνεται, γεγονός που αντανακλάται μακροσκοπικά με μειωμένη κλίση και συνολική μετατόπιση προς τα κάτω της καμπύλης dL/L₀. Με βάση αυτό, μπορεί να προσδιοριστεί το εύρος της αρχικής θερμοκρασίας πυροδότησης.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, παρατηρείται ότι:
- Στο εύρος από τη θερμοκρασία δωματίου (RT) έως τους 400 °C: η καμπύλη της πρώτης επαναπυρόλυσης (Καμπύλη [1]) και η καμπύλη της δεύτερης επαναπυρόλυσης (Καμπύλη [2]) επικαλύπτονται σχεδόν πλήρως κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας θέρμανσης, με σχεδόν πανομοιότυπες κλίσεις (συντελεστές θερμικής διαστολής) στην γραμμική περιοχή και χωρίς εμφανή απόκλιση ή μετατόπιση προς τα κάτω.
- Στο εύρος από τη θερμοκρασία δωματίου (RT) έως τους 500 °C: η τάση της τρίτης καμπύλης επαναπυρόλυσης (Καμπύλη [3]) είναι συνεπής με τις Καμπύλες [1] και [2] κάτω από τους 400 °C. Ωστόσο, η τέταρτη καμπύλη επαναπυρόλυσης (Καμπύλη [4]) παρουσιάζει σημαντική μεταβολή κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, με συνολική μετατόπιση προς τα κάτω και αισθητά μικρότερη κλίση σε σχέση με τις τρεις προηγούμενες καμπύλες. Για την επαλήθευση του αποτελέσματος, πραγματοποιήθηκε πέμπτη δοκιμή επαναπυρόλυσης (Καμπύλη [5]) έως τους 500 °C. Παρατηρείται ότι η καμπύλη [5] επικαλύπτει σχεδόν πλήρως την καμπύλη [4], επιβεβαιώνοντας ότι το δείγμα σταθεροποιείται μετά τη θέρμανση στους 500 °C.
Ο μέσος συντελεστής θερμικής διαστολής (m.Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE) κάθε καμπύλης επαναπυρόλυσης παρατίθεται στον πίνακα 2. Με βάση τα αποτελέσματα των δοκιμών, μπορεί να συναχθεί ότι το αρχικό εύρος θερμοκρασίας πυρόλυσης του δείγματος είναι > 400 °C και ≤ 500 °C.
Πίνακας 2: mCTE για κάθε καμπύλη επαναφλόγισης
| Εύρος θερμοκρασίας | Καμπύλη [1] | Καμπύλη [2] | Καμπύλη [3] | Καμπύλη [4] | Καμπύλη [5] |
| RT - 400 °C | 9,71×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,73×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,60×10⁻⁶K⁻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 | 10,69×10⁻⁶K⁻¹ |
Περίληψη
Η χρήση της διασταλομετρίας (DIL) για την ανάλυση των θερμοκρασιών ψησίματος των καμένων πηλών βασίζεται στη μη αναστρέψιμη φύση της θερμικής συμπεριφοράς των πηλικών ορυκτών. Μέσω του προσδιορισμού της μεταβολής της κλίσης της καμπύλης διαστολής κατά τη διάρκεια της επαναθέρμανσης, η μέθοδος αυτή μπορεί να προσδιορίσει με ακρίβεια το αρχικό εύρος θερμοκρασιών ψησίματος των αρχαιολογικών καμένων κόκκινων πηλών. Η μέθοδος αυτή χαρακτηρίζεται από εύκολη εφαρμογή, σαφή κριτήρια, υψηλή ακρίβεια και ελάχιστη φθορά του δείγματος, γεγονός που την καθιστά κατάλληλη για πολύτιμα αρχαιολογικά ευρήματα. Αποτελεί μια αξιόπιστη τεχνική για τον προσδιορισμό της μέγιστης θερμοκρασίας θέρμανσης των ψημένων ευρημάτων με βάση τον πηλό. Οι διαδικασίες που ενδέχεται να επηρεάσουν τα αποτελέσματα πρέπει να αποκλείονται.