土遗址防风化保护概况

xjsgs · 发表于 2023-9-4 15:24:27

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摘要：土遗址的风化表现为遗址的表面在各种环境因素的作用下,原来因各种因素作用互相结合的土体颗粒之间的结合力减弱或消失,颗粒间距加大以至脱落,使表面减薄、形貌改变,由此造成承载文化信息的表层破坏的现象。探讨土遗址表面风化的原因、机理,以及对防风化保护材料的应用性研究,对保护大批濒临破坏的土遗址具有重要意义。

关键词：土遗址;风化机理;保护材料;

土遗址是指人类活动遗留下的由土和以土为主的遗迹和遗物。这些遗迹和遗物包括房屋、夯土台基、城墙、窑穴、窑炉、粮仓、土构墓葬、糟朽文物在土上的印痕等。土遗址作为文物具有科学性、历史性、艺术性,又没有可再生性,一旦破坏,就成为永久性损失,所以应尽可能长期地保存它们的原状以便进行研究、展出。我国土遗址很多,许多土遗址的状况较差,亟待保护。为了保留这些具有历史文化价值的人类遗产,应采用各种方法与手段。在土遗址研究中找到好的保护方法,对保护大批濒临破坏的土遗址,推动文物保护的理论研究与实际工作都有很大意义。

一、土遗址保护的历史与现状

世界范围内具有近代意义的科学的文物保护,开始于19世纪晚期,而文物的科学保护最初起源于器物与石质古建筑的保护,土遗址的保护相对较晚,工作也较少。真正意义上的土遗址保护是在20世纪60年代以后。

目前国际上土遗址保护研究的主要机构是ICOMOS(International Council on Monuments and Sites)。另外,设在意大利的ICCROM与美国的盖蒂(Getty)研究所等对土遗址的保护也有研究。

国内土遗址保护开展较晚,20世纪80年代末才开始在少数几个地方进行土质科学保护研究试验。

目前对土遗址的保护主要采用以下几种方法:

1.回填法:遗址在发掘、整理、记录后进行回填,以便日后重新研究。

2.复制法:回填后在遗址上建立与原文化遗址相似的构造物,以供参观游览。

3.表面补砌包埋法:在遗址表面加一层修补材料,以使遗址能够得到相应的保护,如在新石器时代的土遗址上加一层与其成分相同的土层,而在砖石建筑破坏后的土遗址上依照原样包覆一层砖石。这种方法在世界各地比较通用。

4.原地展出法:完成发掘工作的遗址保留原状,建立遗址博物馆或陈列室,供人们参观游览和研究。

对上遗址稳定有影响的因素包括日照、雨淋、风吹沙打、温湿度变化、可溶盐、降尘、霉菌等。因此,对保护需要采用多种方法,包括防雨、防风沙、防地下水、防坍塌及防表面风化等。本文着重讨论土遗址防风化的问题。

在以上四种土遗址保存方法中,涉及到防风化保护的主要是原地展出法,因为前两种方法使遗址重新回到它环境。在回填后,它的环境将不再发生较大的变化,各种因素相对稳定。第三种方法是在土遗址表面加一些材料破坏,有时也需要进行一些化学保护来防水与加固。第四种方法与化学保护关系密切,由于发掘后环境因素与发掘前不同,而且这些因素的变动频繁,遗址在这些变动的影响下,也将发生相应的变动,这种变动很容易造成遗址的破坏。尤其是风化现象,风化直接改变了遗址所承载的人文因素,所以这些遗址经常需要一些维护措施,以防止遗址构造材料的风化。

土遗址的风化表现为遗址的表面在各种环境因素的作用下,原来因各种因素作用互相结合的土体颗粒之间的结合力减弱或消失,颗粒间距加大以至脱落,使表面减薄、形貌改变,由此造成承载文化信息的表层破坏的现象。

各种环境因素包括温度、湿度、水分、可溶盐、气体污染物、霉菌、动植物等均能引起土遗址的风化。

对土遗址进行防风化保护的研究是文物保护工作中的一个重要方面。文献上可见的土质构筑物及纪念物的防风化保护工作与研究,基本是以西方现代的文物保护方法及思想来保护古代文明的遗物与遗迹,如美国盖蒂研究所对美国新墨西哥州印地安人故居的保护研究,意大利专家对伊拉克境内土坯建筑的保护研究等。

这些防风化保护工作所用的材料主要有:有机硅材料、丙烯酸树脂及醋酸乙烯树脂、有机聚合体系(如聚氨酯)聚甲基丙烯酸甲酯、有机乳液等。其使用对象主要是比较干燥的遗址与遗迹,从目的上讲,是进行加固与防水。

潮湿土遗址的保护比干燥土遗址保护困难,因为一些在干燥土遗址上可用的材料,用到潮湿对象时就比较困难。

对潮湿土遗址保护的例子是日本国立文化财研究所对Yokohama遗址的保护,采用有机硅低聚物与其他材料防止土遗址内的水分挥发,使其处于潮湿状态以保护土遗址,这种保护土遗址的方法,从照片上看来效果较好,难点是如何防止潮湿环境下土遗址的生霉问题。

土遗址防风化保护的工作很多,在国外如1969年Giacomo Chiari等人在伊拉克某遗址(Seleucia and Hatra in Iraq)采用正硅酸乙酯-乙醇体系,聚醋酸乙烯酯和丙烯酸树脂(注射)等对风干砖的保护;1975年秘鲁采用正硅酸乙醇与乙醇混合体系处理土坯建筑的表面;20世纪六七十年代日本采用甲基丙烯酸树脂加固土质;日本学者采用聚氨酯树脂保护古墓;美国盖蒂研究所在美国新墨西哥州(Fort Selden,New Mexico)的印第安人遗址附近进行的土遗址保护材料的评价试验,采用硅酸乙酯和聚氨酯进行加固试验;Fatma M. Helmi对埃及两个古遗址(Abu-Sir and Mataria)的加固保护,采用了四乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯共聚物(效果不好)进行的试验。

在国内如20世纪50年代刘致和对西安半坡遗址作过加固性研究工作;单玮等采用丙烯酸树脂对秦始皇兵马俑炭化遗迹的保护;刘林学等采用有机硅单体、低聚物、高聚物等材料对秦俑弩弓迹、车轮迹、西安半坡部分土遗址、西安老牛坡商代古墓群中车马坑的保护;李最雄采用PS材料对甘肃秦安大地湾遗址、三门峡车马坑、洛阳含嘉仓等遗址的保护与试验;黄克忠等采用硅酸钾以甲基三乙氧基硅烷为添加剂,对克孜尔石窟(胶结很差的砂岩)的保护;庞正智采用乳液复合物进行加固交河古城土样的试验等。

二、土遗址的风化机理

有关土遗址的风化机理的论述,可见于一些保护研究的文献中。国外有关风化机理的文献常在土遗址保护文献中简单论述。

国内关于土遗址风化机理的讨论,可见张万学、刘林学、贾文熙、张志军等的论述。

综合以上文献,影响土遗址风化的因素包括内因与外因。内因是土遗址本身的组成与性质,外因是指土遗址因素,现分述如下:

1.土遗址的组成与性质:土的成分有各种矿物如石英、高岭石、长石、蒙脱石、绿泥石以及有机质等。土是由这些成分经过无机与有机物的作用、由大小不同的颗粒形成的复杂的多层次结构。这种结构很容易受外界因素的影响。例如在吸水潮湿或受热时,各种矿物微粒膨胀程度不同,产生应力,容易造成结构的破坏。尤其是蒙脱石对环境因素比较敏感,潮湿或有水时很容易吸水膨胀。土的胶结物如中溶盐及有机物在水作用下溶解,造成土壤结构的破坏。土的微观结构对风化也有影响，例如土的孔隙结构与孔径分布。孔径不同,对水分的吸收能力不同,对结冰和盐结晶的抵抗能力也不同。

2.温度变化:地表的温度通常都要经历日变化与年变化等周期变化。常规下物体热胀冷缩,这种变化随着温度的周期变化而变化。对于土遗址,这些变化产生的张缩应力,必然导致土体稳定性的下降,具体表现为开裂、脱落等。另外,由于温度传导的梯度,导致内外收缩膨胀不均,产生张力,破坏也很大。这种现象在土遗址暴露于自然环境中时非常强烈,即使保护性建筑也只能缓解这种破坏。并且,温度低于冰点时还导致水分结晶。

3.水分:水分的作用有以下几个方面:

(1)水在土壤毛细管内的迁移运动产生毛细压力,对管壁产生破坏;低温下在土壤毛细孔中结晶,体积膨胀,对孔壁产生很高的压力,造成土体的破坏;

(2)地下水的毛细上升造成可溶盐向表面的迁移与富集;

(3)水可以造成黏土颗粒的膨胀以及机械强度的降低;

(4)水分可以溶解对土壤微粒有黏结作用的物质,从而导致土壤崩解;

(5)霉菌在含水高的土遗址上容易生长等。

4.湿度变化:空气中湿度的变化是土壤表面风化的重要影响因素。通常情况下白天湿度低,晚上湿度高,温度低于露点时,水分会在土壤表面冷凝,造成土体表面风化破坏;湿度的循环变化可使迁到表面的可溶盐反复溶解结晶,产生破坏作用;高的空气湿度还可以促进霉菌的生长繁殖。

5.可溶盐:可溶盐在水的作用下在土体内迁移运动,根据条件的不同可迁移到土体表面结晶,造成土表面结构的破坏及观的改变;也可在土体内部富集结晶,造成空鼓、开裂、表层脱落。

6.气体污染物:气体污染物包括二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等,它们可以被吸附能力强的土微粒吸附,并与水作用形成酸、碱或盐;或者直接在空气中变为酸碱盐溶液的微粒,再吸附到土体表面,破坏矿物及胶结物,产生膨胀能力较大的结晶,导致土体的风化。

7.降尘:降尘包括矿物微粒、工业粉尘、孢粉、霉菌等。降尘的破坏在于:

(1)掩盖土体表面,改变其外观;

(2)带来可溶盐;

(3)带来霉菌;

(4)增加机械磨损的机会。

8.霉菌:霉菌的生长改变遗址的面貌,对土体表面产生机械破坏。霉菌在生长过程中产生一些有破坏作用的酸碱分泌物,破坏土壤的结合物。

9.动植物:动物如蝼蛄、白蚁、蚂蚁等在土遗址内营穴生存,草类在土遗址表面的生长都有破坏作用。

10.风沙:暴露于自然界的土遗址,特别是在西北干旱地区的土遗址,多受风沙的破坏作用。风的压力、沙子的撞击与摩擦,对土体表面都有破坏作用。

11.震动:来自地震、工程施工、交通等方面的震动对土遗址有危害。表现在使表层颗粒脱落、土体开裂坍塌、结构不稳。

通常情况下,各种对土遗址有破坏作用的因素是协同作用的,在这些因素中,水的作用很大,没有水以上许多难以起作用。

三、土遗址的加固保护材料

从文献看,土质建筑物保护的方法很多,基本上与其他种类文物保护所用的方法相似,但也有其特点,表现在注重加固、防水。加固方法有机械加固,如支护、锚杆等,以及化学加固。防水的方法有遮雨棚、土工织物、地下排水及表面防水处理。以下仅讨论化学防风化加固材料。

文献中常见的防风化加固材料有:

1.石灰水:这种材料在英国使用较多。制备方法为生石灰加水搅拌,然后滤去不溶物,溶液可用来对土质进行加固。所制得的溶液浓度一般很低,只有0.022mol/L(碳酸钙的溶解度为6.5×10-4mol/L,溶度积Ksp=2.9×10-9/18-25℃),必须涂施工才能有效。

2.氢氧化钡溶液:氢氧化钡溶液与氢氧化钙相似,氢氧化钡的溶解度为0.23mol/L,大于氢氧化钙(碳酸钡的溶解度10-4mol/L,溶度积Ksp=5.1×10-9/18-25℃)。

3.钾水玻璃:水玻璃是一种碱性金属(钠或钾)的硅酸盐。一般分子式为Me2O·nSiO2,式中Me代表碱金属。水玻璃类材料广泛用于建筑工程中的地基灌浆处理,文物保护工作者根据文物保护的要求对它进行改造,并用于文物保护中。使用时一般要对水玻璃进行一些改性,以提高其性能指标。如李最雄采用模数为4.0的硅酸钾,配合氟硅酸钙,做石质、土遗址的加固材料。

4.丙烯酸树脂:丙烯酸树脂是丙烯酸类单体在引发剂作用下形成的聚合物。丙烯酸树脂因其优良的耐候性而使用广泛,在护方面被用作加固剂、黏结剂,并用于多种文物的保护。

国外使用的牌号有:

Paraloid B-72:甲基丙烯酸乙酯-甲基丙烯酸共聚物。

Acryloid F-10:甲基丙烯酸丁酯的聚合物。

国内使用的如三甲树脂，丙烯酸树脂的溶剂有多种,如苯类、酮类、酯类、氯代烃等。

5.甲基丙烯酸甲酯类灌浆材料:采用甲基丙烯酸酯类单体,加入引发剂、促进剂、除氧剂、阻聚剂等,注入土体内,使其在土体内聚合。

6.聚氨酯:聚氨酯类材料在文物保护中有多方面应用。

聚氨酯类材料是一种广泛用作涂料、胶粘剂、化学灌浆材料的有机材料。它是由异氰酸酯和多元醇类物质进行缩聚反应形成的。目前所用的异氰酸酯种类很多,如甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)等所用的多元醇类材料包括聚酯类、聚醚类、丙烯酸树脂类等。聚氨酯类品种较多,各个品种的性能也有差异,在文物保护中使用时多选用耐久性好的品种,并兼顾其他使用性能。

在土体保护中使用过的材料有改性聚氨酯。聚氨酯树脂配合DN-3390(HDI衍生的预聚物),溶剂为芳香烃-乙酸正丁酯,稀释剂为二甲苯-丁酮(2:1)。

7.有机硅材料:有机硅类材料在文物保护中的应用很多,包括正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷(TEOS/MTEOS)、有机硅低聚物和高聚物、有机硅乳液等。

在土遗址保护中使用的材料及牌号有:

Conservare H和Conservare OH:主成分为正硅酸乙酯,溶剂为丙酮-丁酮。

Conservare Stone Strengthener HTM（SS-H）：TEOS+MTEOS

Conservare Stone Strengthener OHTM（SS-OH）：TEOS

Wacker Strengthener OH:成分为正硅酸乙酯,溶剂为甲苯,加有催化剂。生产厂家为Wacker-chemie GmbH。

SILESTER ZNS:部分聚合的正硅酸乙酯,n=10,生产厂家为美国孟山都公司。

8.有机树脂乳液:有聚醋酸乙烯酯乳液、聚丙烯酸树脂乳液等,制造方法为乳液聚合法。乳液聚合是由单体和水在乳化剂的作用下配制成的乳状液中进行的聚合,体系主要由单体、水、乳化剂及溶于水的引发剂四种基本组分组成。经过聚合的是分子量很高的聚合物微粒,粒径在几微米到几十纳米之间。这些微粒不溶于水,而是通过乳化剂的作用分布于水中。聚合物乳液的品种牌号很多,其性能差别也很大。

在文物保护方面使用过的有:

UCAR 365 (R):乙烯-丙烯酸的共聚物乳液;

Acrysol WS-24:一种具有极细颗粒的高分子量的丙烯酸聚合物,分散于水中。具有优良的物理化学性能,黏度极低,有利于渗透,固化后具有可逆性。使用时采用4%的浓度,使用于风化非常厉害的部分,渗透快。

Primal AC33:甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸乙酯(60:40)的共聚物。Rohm & Haas公司生产。

Airflex 510(R):乙二醇二乙酸酯-醋酸乙烯酯的共聚物乳液。

目前丙烯酸树脂乳液的品种与产量逐步增加,国外如Rohm & Haas等公司生产的品种很多。国内如东方化工厂的乳液性能也比较好。

9.加固剂的复合使用:在很多情况下,不同种类加固剂可以混合使用,目的在于发挥二者的优点,提高加固效果。例如丙烯酸树脂B-72和有机硅单体TEOS的复合使用,PS材料与有机硅材料的混合使用。

土遗址保护材料保护效果不仅与材料有关,还与施工工艺有关,错误的使用方法可能使好的材料起不到应有的作用,并产生不良后果。

土遗址保护材料的使用方法有:

(1)喷涂法;

(2)滴注法;

(3)顶部下渗法;

(4)钻孔注入法等。

土遗址防风化所使用的材料种类多,性能差异大,现叙述如下:

1.氢氧化钡、氢氧化钙溶液

优点:加固后不堵塞孔隙,不妨碍水分迁移,浅层加固强度高,成本低。钙、钡两者的不同之处是碳酸钙有微弱的溶解性,而碳酸钡几乎不溶解。

缺点:渗透深度不够,一般情况下只有几个厘米。碳酸盐结晶时一般呈无定型状态,加固作用较弱。碳酸钙在结晶后还会有晶型转变现象,造成破坏,而碳酸钡则无此现象。

另外,由于溶液的浓度难以提高,故而一次加固强度不够。需要每天喷涂,并施工多日才能见效。在使用过程中墙体要饱水,易使建筑物处于不稳定状态,产生结构破坏。

二者的共同特点是渗透不深,处理后表面易泛白。

2.PS材料

优点:加固强度高,耐候性好,价格低廉,制造容易,施工方便。

缺点:对潮湿的被加固材料效果不好,难以渗入,并且易产生泛白现象。

3.有机树脂溶液

丙烯酸树脂溶液,由于易产生溶质的回迁现象(溶质随溶剂渗入被加固材料,并随溶剂挥发移向表面),难以进行深层加固。聚合物易在表面富集,溶剂挥发后,产生表面颜色加深现象,并形成表面结壳。这种聚合物的膜可以产生以下不利影响:阻止土质内部的水分以液态和蒸气状态向外迁移,致使水分在内部富集。因为壳的热膨胀系数与内部不同,在冷热交替的收缩膨胀过程中因张力而开裂。另外,对潮湿的加固对象,难以使用。

4.有机硅单体、预聚体与高聚物

优点:加固后不改变原貌,耐水(聚合后含有机基团的),加固强度高(如正硅酸甲、乙酯水解)低(有机高聚物)不同,渗透深度也不同,与聚合度成反比,单体渗透好,高聚物渗透比较困难。加固与防水效果优秀,是目前研究比较成熟,世界各地通用的加固材料。

缺点:价格高;单体毒性较大,施工过程中对操作人员的危害较大。硅酸乙酯单体水解体系在有水的对象上使用时,过多的水分使材料水解多于聚合,形成脆弱、粗糙的表面。湿度低时固化速度慢。

5.聚氨酯树脂

优点:黏度低,渗透速度高,可进行深层渗透,加固强度较高,耐水好。

缺点:加固后颜色改变较大,耐老化性能差。材料本身有一定的毒性,在施工过程中对操作人员危害较大,使用后有毒成分残留时间较长。

6.丙烯酸单体聚合体系

优点:渗透能力好、渗透深、加固强度高。

缺点:施工时聚合时间不易控制,必须在无氧的环境中施工,除氧添加剂选择困难;聚合体强度过高,易使内外产生应力,有违保护原则;聚合后有收缩;加固体系在未聚合时气味不好,有一定毒性。

7.有机乳液(聚醋酸乙烯乳液,聚丙烯酸树脂乳液)

优点:加固效果好。

缺点:渗透深度不够,容易在表面积聚,即使采用非常小的颗粒,较低的浓度也不易渗透。水作载体易造成被加固材料的破坏(通过降低材料的机械强度)。另外乳液中含有的乳化剂容易造成树脂的老化,例如通过氧化造成树脂链的断裂,或者与树脂链产生交联。这种材料不宜在表面使用,一般作修补材料。