Введение
Обжигаемая красная глина — это особый археологический материал, образовавшийся в результате деятельности древних людей, связанной с огнем, который широко встречается на местах поселений, в гончарных печах, жертвенных ямах и других памятниках, начиная с эпохи неолита и заканчивая историческими периодами. Она служит прямым материальным свидетельством для изучения технологий использования огня древними людьми, архитектурных приёмов и стратегий жизнеобеспечения [1]. Являясь ключевым физико-химическим показателем обожженной красной глины, исходная температура обжига не только отражает способность древних людей управлять огнем и степень развития технологии обжига, но и служит важной основой для выводов о социальной производительности и моделях использования ресурсов [2].
Определение температуры обжига
Дилатометрия (DIL) постепенно стала одним из наиболее широко используемых методов определения температуры обжига археологической обожженной красной глины благодаря простоте применения, минимальному повреждению образцов, высокой точности измерений и хорошей повторяемости результатов. Обжигаемая красная глина в процессе древнего обжига претерпела дегидратацию, дегидроксилирование, фазовые превращения и начальное спекание, в результате чего сформировалась стабильная микроструктура. Поэтому при повторном обжиге, когда температура ниже первоначальной температуры обжига, образец демонстрирует лишь обратимое тепловое расширение решетки; как только температура превышает первоначальную температуру обжига, остаточные аморфные фазы и неспеченные микрообласти внутри образца подвергаются дальнейшему уплотнению, что приводит к эффекту усадки, подавляющему его тепловое расширение [3]. Данный метод широко применяется в исследованиях по определению температуры археологических находок.
Образец, использованный в данном исследовании, представляет собой свежую, не подвергшуюся выветриванию обожженную красную глину с определенного археологического памятника, обработанную в форму прямоугольного параллелепипеда с правильным поперечным сечением и длиной примерно 25 мм (рисунок 1). Испытания проводились с использованием дилатометра « NETZSCH » DIL 402 Expedis Classic .
Параметры испытаний приведены в таблице 1. Было проведено пять циклов нагрева: два из них с конечной температурой 400 °C и три — с конечной температурой 500 °C. После каждого испытания образец охлаждали в печи до комнатной температуры, чтобы обеспечить одинаковое начальное состояние для каждого цикла нагрева и исключить влияние различий в начальных состояниях на результаты испытаний.
Таблица 1: Условия измерения
| Прибор | DIL 402 Expedis Classic |
|---|---|
| Размеры образца | Прямоугольная призма, прибл. 10 × 10 × 25 мм |
| Скорость нагрева | 5 К/мин |
| Статическое усилие | 100 мН |
| Держатель образца | Держатель из плавленого кварца |
| Диапазон температур | комнатная температура – 400 °C, комнатная температура – 500 °C |
| Атмосфера | Азот (инертная атмосфера) |
Результаты и обсуждение
Как отмечается в литературе [3], в ходе первоначального процесса обжига глинистые минералы в обожженной красной глине (например, иллит, монтмориллонит) при определенных температурах подвергаются дегидратации, дегидроксилированию и структурной реорганизации, образуя метастабильную микроструктуру. Когда температура повторного обжига ниже порогового значения первоначального обжига, внутри образца не происходит никаких новых фазовых переходов, а происходит лишь физическое тепловое расширение, поэтому обе кривые нагрева пересекаются. Когда температура повторного обжига превышает температуру первоначального обжига, во время первого нагрева происходят дополнительные необратимые реакции (например, удаление остаточной структурной воды, заделка дефектов решетки), что приводит к увеличению степени уплотнения. Следовательно, во время второго нагрева способность образца к тепловому расширению снижается, что макроскопически отражается уменьшением наклона и общим сдвигом кривой dL/L₀ вниз. Исходя из этого можно определить диапазон исходной температуры обжига.
Как показано на рисунке 2, можно заметить, что:
- В диапазоне от комнатной температуры до 400 °C: кривая первого повторного обжига (кривая [1]) и кривая второго повторного обжига (кривая [2]) почти полностью перекрываются на протяжении всего процесса нагрева, имея практически одинаковые наклоны (коэффициенты теплового расширения) в линейном участке и не демонстрируя явных отклонений или сдвига вниз.
- В диапазоне от комнатной температуры до 500 °C: тенденция третьей кривой повторного обжига (кривая [3]) ниже 400 °C совпадает с кривыми [1] и [2]. Однако четвертая кривая повторного обжига (кривая [4]) демонстрирует значительное изменение в ходе нагрева: наблюдается общее смещение вниз и заметно меньший наклон по сравнению с тремя предыдущими кривыми. Для проверки результата был проведен пятый цикл повторного обжига (кривая [5]) до 500 °C. Видно, что кривая [5] почти полностью перекрывает кривую [4], что подтверждает стабилизацию образца после нагрева до 500 °C.
Средние значения коэффициента теплового расширения (m.Коэффициент линейного теплового расширения (CLTE/CTE)Коэффициент линейного теплового расширения (CLTE) описывает изменение длины материала в зависимости от температуры. CTE) для каждой кривой повторного обжига приведены в таблице 2. По результатам испытаний можно сделать вывод, что исходный диапазон температур обжига образца составляет > 400 °C и ≤ 500 °C.
Таблица 2: mCTE для каждой кривой повторного воспламенения
| Диапазон температур | Кривая [1] | Кривая [2] | Кривая [3] | Кривая [4] | Кривая [5] |
| RT – 400 °C | 9,71×10⁻⁶ К⁻¹ | 9,73×10⁻⁶ К⁻¹ | 9,60×10⁻⁶ К⁻¹ | 9,33×10⁻⁶ К⁻¹ | 9,29×10⁻⁶ K⁻¹ |
| RT – 500 °C | - | - | 11,40×10⁻⁶ К⁻¹ | 10,76×10⁻⁶ К⁻¹ | 10,69×10⁻⁶ К⁻¹ |
Резюме
Использование дилатометрии (DIL) для анализа температур обжига обожженных глин основано на необратимости теплового поведения глинистых минералов. Путем определения изменения наклона кривой расширения во время повторного обжига можно точно установить исходный диапазон температур обжига археологической обожженной красной глины. Данный метод отличается простотой проведения испытаний, чёткими критериями, высокой точностью и минимальным повреждением образцов, что делает его пригодным для работы с ценными археологическими находками. Это надёжный метод определения максимальной температуры обжига археологических находок на глиняной основе. Процессы, которые могут повлиять на результаты, должны быть исключены.