石質文物的保護方案

石質文物的保護主要包括:清洗、加固、防護三個環節。


1.清洗

石質文物的清洗對象是石質表面的一切有害物質,包括微生物、雜草、可溶鹽、難溶性硬殼、灰塵煙垢等。

清洗方法按清洗劑和處理技術的特點可分為兩類:水清洗法;化學清洗法。


1.1 水清洗法

這種清洗方法對清除石質文物中的可溶鹽很有效。其處理效果的好壞取決于操作方法。


(1) 水浸泡法適用于小型石質文物,其方法是把石質文物浸泡在去離子水中,但如石質品的狀況不是很好,完全浸泡出言除鹽就比較危險,因為快速的水合作用可快速溶鹽會導致石質品出現塊狀脫落。


(2) 水蒸氣清洗法 這種方法可用于已損壞的多孔石質品表面、文物雕刻品、古建筑表面。工業上實現壓力是(5-10×105 Pa,這種方法效果很好。


(3) 霧化水淋洗法水通過很窄的噴嘴噴出,形成霧化的水。霧化水在空中慢慢地落在石質文物的表面。這種淋洗作用很輕柔,不會產生任何沖擊作用。而且清洗也比較塊,因為霧化水覆蓋地面積大。


(4) 吸附脫鹽法方法能延長水與石質表面接觸的時間,同時降低水的滲透深度。其方法是用一些纖維材料作吸附劑,如紙漿、紙巾、脫脂棉、木漿、海泡石和活性白土等粘土礦物。先用去離子水潤濕吸附材料,將紙漿等敷于要清洗部位,為了防止水的快速蒸發可用塑料薄膜將吸附材料覆蓋起來。經過一定的時間揭開薄膜,隨著吸附材料內水分的蒸發,所吸附的結晶鹽析出。多次重復操作,通過測吸附材料的電導率恒定時,就說明清洗到位了。用其他化學溶劑濕潤吸附材料可以幫助我們清除掉石質文物表面地非水溶性物質。如有機溶劑,表面活性劑等。吸附脫鹽法很實用,效果也很好。


1.2 化學 清洗法


( 1 ) 強酸強堿清洗法 此法在工業上常用,但在石質文物上不宜用。


( 2 ) 離子交換樹脂清洗法用離子交換樹脂可以得到去離子水外,用離子交換樹脂制成糊狀可以用于清除石質文物表面的污染物。根據離子交換樹脂活性基團的化學性質,他們可呈現酸性或堿性。可溶解碳酸鹽,硅酸鹽、硅石等。在實際處理過程中,其溶解作用相當緩慢,并且只在濕潤的離子交換樹脂與石質表面接觸的部分才發生溶解,而只要刮掉糊狀物,溶解反應馬上停止,沒有任何滲透的危險。所以比較好控制。

在文物保護中用的離子交換樹脂必須純(分析純),而且顆粒要細(100—200目),這種方法的費用很高,適宜清洗價值比較高的石質文物。


( 3 ) 膠粘性糊狀物清洗法這種糊狀物可在弱減溶液中加膠粘性處變劑配制而成。可以在垂直面上和天花板上使用而不會掉下來。另外這種糊狀物處理的時間也較長,可抑制其溶液向石質內的滲透。在貼敷期間也可以用塑料薄膜保濕。

洛陽量子納米有限公司研制的清洗糊狀物LZWF-57,其溶液的 PH值約為7.5內含兩種碳酸氫鹽起清除作用,能溶解象石膏這樣的鹽類。內含表面活化劑、EDTA和清毒劑能溶解含鈣污物,石膏、方解石、白云石等。內含觸變劑,起膠粘作用。

膠粘性糊狀物的清洗作用比較緩慢,但清除含石膏較多的黑色硬殼非常有效。


2 . 加固

加固保護的目的是提高風化文物強度。其基本原理是通過加固劑滲透到石質文物中替代由于風化引起損失的天然膠結物。加固主要針對的是已經風化的、有解體危險、砂化的多孔文物。


對加固材料的要求:

(1)能形成一種新的、抗風化的礦物質巖石膠結物;

2)不形成任何破壞巖石的含鹽副產物;

3)對巖石的一些主要特性,如水蒸氣透氣性等不良影響。

4)在巖石中有良好的滲透力,至少應能滲透到未風化部位,而且加固后的力學剖面應應平穩,在表面附近產生力學強度過大現象。

5)不會引起巖石表面顏色的變化。


加固方法:實際操作中,常采用:熔化—凝固;傳遞的溶劑揮發;加固劑間的化學反應加固劑與礦物的化學反應。


加固材料分為有機材料和無機材料,它們的區別是:無機材料的加固是通過石質中某些成分與CO2 的反應或水合作用形成新物質而實現的。形成的新物質與礦物的連接比較脆弱,其粘接的裂縫寬度不可能大于10-50UM。用無機加固劑不能實現裂開兩部分的粘接。無淆機材料與有機材料相比較,耐老化,但比較脆,彈性差。通過化學反應來實現加固,很難獲得好的滲透效果,這是因為一旦化學反應開始,反應物會阻塞巖石表面的空隙,從而抑制了加固劑的進步滲透。


與無機加固劑相比,有機加固劑更易于受環境而老化,主要是氧、臭氧、水、紫外及紅外輻射使有機材料產生或物理變化。但是如果加固材料在石質品內的空隙中,以上因素的影響就會受到限制。有機材料的另外一個缺點就是熱膨脹系數高于巖石,但其具有比較好的粘接性,柔韌性,所以就具有良好的抗應力的特性,另一方面,有機加固劑很難象無機加固劑易于滲透,這主要是由于有機加固劑的分子長鏈和極好的粘性所致。為了解決這一問題,有人在使用或實驗用預聚合物和單體可,特別是使用硅氧烷類材料和丙烯酸單體。

常用加固劑的主要類型


無機類:

(1)石灰水 其加固作用是通過氫氧化鈣與二氧化碳的反應來實現的,化學反應所形成的碳酸鈣留在巖石的空隙中。反應:Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

(2)氫氧化鋇 其原理與石灰水相似 反應:Ba(OH)2+CO2=BaCO3+H2O


有機類:


(1)環氧樹脂類由于環氧樹脂在固化是無副產品、不產生氣泡、體積收縮小不變形、而且能滲入多孔材料的內部形成網狀結構,且有良好的耐久性,粘性及機械性能,倍受人們青睞,尤其是一些新型的改性環氧樹脂材料。

環氧樹脂是典型的體內聚合的方式。環氧樹脂分子末端含有兩個以上的環氧基團,加入固化劑,依靠環氧開環聚合或加成聚合,達到高分子量化后形成具有一定揉性、粘性及抗化學腐蝕的長鏈網狀結構。用于文物保護上的環氧是分子末端含有兩個以上環氧基團的雙酚A組分(雙酚A二甘油醚),常用的固化劑是胺類,胺的特性決定了固化速度,而固化時間又影響滲透深度,為了增強效果也常常加入活性稀釋劑和增韌劑等。

環氧樹脂加固的成功與否與樹脂的合理選擇和滲透方式、巖石的空隙度有關,真空低壓滲透可獲得較好的滲透深度,本身多空的巖石風化后使環氧樹脂加固的最佳對象,成功的處理要求巖石的空隙度為砂巖14%,灰巖28%

盡管環氧樹脂加固作用明顯,但也有缺點,如滲透性稍差,不透氣。受UV光照射顏色變黃等。


(2)丙烯酸樹脂類

丙烯酸也是廣泛應用于多孔文物加固保護的樹脂材料。聚甲基丙烯酸甲酯稱為有機玻璃,能防止文物的風化及戶外紫外光照射,但是用有機玻璃處理過的巖石阻止了濕氣的活動。Paraloid B72是人們研究最多的一種丙烯酸樹脂,它是一種白色玻璃狀結構,能溶于多種有機溶劑。是溶劑揮發后成膜而起到加固作用的典型代表,通常以丙酮或二甲苯是2%-10%的濃度使用。B72最大的缺點是形成的膜非常脆,既不抵抗堿性的侵蝕,又不抵抗UV光的照射,又的顏色也會變深。現在正在對丙烯酸進行改性,如環氧丙烯酸、含硅丙烯酸等。


(3)有機硅類

有機硅類加固劑主要有硅酸乙酯、烷基硅酸鹽、硅烷、硅氧烷、硅酸鹽等。如德國的Remmers 系列產品,美國的三甲基四乙氧基硅烷。在中國比較常用的是洛陽量子納米科技有限公司生產的納米氟硅系列產品LZWF-10石質文物表面封護劑。

LZWF-10 表面封護劑的特點:有機硅材料作為硅酸鹽化學于有機化學的紐帶,有機聚合物的結構特性使其兼備有機材料與有機聚合物功能與一身。它不僅具有卓越的耐高低溫性能、電絕緣性、化學穩定性和耐老化功能。在文物保護上應用的有機硅材料具有粘度小、滲透性好,固化后石質不變色、不反光、無油污感,并賦予風化石質一定的強度,憎水性優良,透氣性好等特點。


3. 石窟摩崖的保護(保護工程)


(1)巖體穩定性的評估石窟摩崖類文物的保護往往涉及到保護工程的問題。首先要對石窟摩崖所依附的巖體進行巖體的穩定性評估。這包近景攝影測量、水文地質工程測繪、地球物理勘探、物理力學性質實驗、材質結構組成和化學成分分析、環境檢測等。


(2)加固處理

加固方法:

1)用護壁、擋墻、大型砌體阻止巖體裂隙的發展,抵御巖體開裂,防止懸巖坍塌。

2)噴錨加固

3)裂隙灌漿、錨固與化學試劑表面滲透加固、封護綜合法。


(3)防水

除了地震、火山還有人為的毀滅性破壞之外,水是對石質文物最普遍最嚴重的破壞因素。因此對石質文物的防水處理非常重要。


1)對小件石質文物和大型石質文物(石窟寺、摩崖、大型石刻等)的局部采用表面涂刷封護劑形成保護膜來阻止水的入侵。現在常用的是長鏈有機硅類封護劑。如洛陽量子納米科技有限公司生產的LZWF-10就是很好的很常用的封護劑。它的一端是烷氧基作偶連基團與石體和鄰近的烷氧基團緊緊粘結,另一端長鏈烷基則成膜起憎水作用。WD-10所成的膜致密,厚實,但是透氣,耐腐蝕,封護效果很好。


2)工程防水


A. 降水的防治

a. 落水洞及大縫隙堵漏。根據山頂落水洞及縫隙特征、巖體的力學性質、材料價格及施工工藝等因素,可采用填塞亞粘土或黃土后,一道壓一道地鋪設聚乙烯塑料薄膜設置防滲層,考慮到巖體裂隙比較發育,也可采用水泥沙漿進行灌注,這樣既可以防止水分滲入,又可加固巖體。例如在對甘肅省榆林窟東崖裂隙進行加固時,首先將裂隙兩側的風化崖面應用PS材料滲透加固;其次用水泥沙漿對裂隙封閉,并插入注漿管。先注入適量的PS漿液,對裂隙兩壁進行加固,最后注入改性了的PS-F漿液。一周后觀察發現PS漿液在裂隙兩壁滲透375px,PS-F與裂隙兩壁粘合緊密。

b. 開挖深井為了能使巖體中水分排出,可在山頂距崖面較遠處開挖深井,地點選擇在各種裂隙交匯處,以使巖體內水分經裂隙排入井內,這樣可以減少水分向崖面崖面的移動。也可挖一條與崖面立壁走向平行的排水隧洞。例如大足北山石刻北佛灣頂部的凹地內坡積層與崖體風化層形成潛水層,石刻陡壁切割這些含水裂隙,便有水滲損害石刻。為了排水,在距陡壁前緣8m處開挖了一條與陡壁平行的高4m、跨度2m、截面為梯形的隧洞。經觀察排水隧洞已將大部分滲水排走。

c. 開挖導水明渠在山頂依地勢開挖一條縱橫交錯的導水渠,再在立壁兩側開挖兩條主導水渠,并使山頂明渠與這兩條主導水渠貫通,這樣雨水可迅速從山頂排下,盡量減少雨水在山頂的停滯時間,從而減少了進入巖體的水量。

d. 裂隙灌漿經過上述處理,一些大的裂隙已用粘土或水泥沙漿堵住,但泥漿不能灌入0.25mm以下的裂隙。即便已被水泥灌入的寬度在0.25mm以上的裂隙,由于傳剪力很差,仍不能保證巖石巖體形成整體。灌漿可防止這些微裂隙成為水分移動的通道,必須使用適當材料進行灌漿。目前使用的灌漿材料較多,應根據巖體力學特性、當地的氣候環境特征等因素選擇決定。例如地處西北干旱地區的礫砂巖石窟,巖體防水加固灌漿材料可使用無機類的PS材料,效果比較理想。對于南方高溫潮濕環境的石灰巖石刻、巖畫等,可使用有機硅類的呋喃改性環氧樹脂為主劑的材料等。


B. 地下滲水的防治

地下水主要通過毛細管的作用上升進入巖體或建筑物墻體內,治水應該采取堵與導結合的綜合方案。堵是指切斷毛細管的通路,解決的方法是設立在立壁或墻基底部設置隔潮層,或者在其旁邊做防潮層以割斷與它相接觸的其他其墻壁。但要徹底解決毛細滲水問題,最根本的方法是應當設法使巖體底部或建筑物的本身與水分的來源完全割斷。導是指埋設暗管、開挖暗溝疏通導流滲水,再與割斷滲水的方法結合以達到治水目的。當毛細滲水較普遍,且水量劑較大時,可在下部或后部開鑿截水廊道,集中排水,他的作用是降低地下水位、切斷流向巖體內的地下水源。

做割斷層的方法是在立壁或墻體的適當位置上沿水平方向,在一定的間距上鉆孔,在每一孔洞底部置入特制鉛片,再把各個孔洞連貫起來,即為防潮層,可切斷下面由毛細管作用而上升的水的通路。

對于墓室的防水,可設置截水墻,即用鋼筋混凝土構筑成的地下墻,主要功能是擋水。例如南越王墓防滲水工程,沿墓室四周修筑一道底寬1000px 、頂寬500px的鋼筋混凝土防水墻,墻底部壁墓室地面低1250px。也可采用鉆孔化學注漿法或旋噴注漿法,即在墓室周圍打一定密度的鉆孔,鉆孔內用高壓灌注環氧樹脂類或丙烯酸類漿液,使它滲入地層內所有的空隙、微裂隙、形成一個封閉隔水區,阻擋水的入滲。


C. 地表水的防治

對于地表水為防止水的入浸,應采取主、干、支溝組成的統一排水系統使水能夠盡快排掉,并以暗溝為主。

總之,石質文物的防水應采取“綜合的治理方案,因地制宜,做好防水工作。



通過對石質文物保護現狀的全面了解,我公司研發的LZWF-10產品具備如下功能

在有機文物保護材料中加入二氧化鈦米材料。有機材料不耐老化,特別是空氣中的紫外光,米二氧化鈦是最優良的紫外光吸收劑,加入后極大地提高了文物的防風化能力

、LZWF-10產品是可應用在石灰巖類文物的加固和封護材料。有機硅在硅質膠結的砂巖和泥巖保護中很成功,但是用于石灰巖加固和封護時出現了保護材料與石質本體粘接不牢固的缺點。內含納米碳酸鈣的復合材料已表現出許多優點,如彈性好,填充性好等,克服有機硅處理石灰巖的不足。

、LZWF-10產品是含有混合納米材料的氟硅產品。單一的復合材料處理文物由于性能單一不能適應環境條件的改變。現在選擇保護材料時幾乎都是根據當時的環境條件來選擇某一方面性能突出的保護材料。在當時看來保護效果不錯,但是當環境條件一旦改變便馬上表現出不適應的缺點,如原來需要強度的現在成了需要韌性,原來在干燥條件下性能很好的,而現在在潮濕的環境中卻表現很差等。混合材料集多種材料的優點于一身,不但在當時性能優良,即就是環境條件發生改變也能表現出一定的適應和緩沖能力。

四、LZWF-10產品施工簡單方便。使基材充分干燥,將產品按約50-200g/m2的比例均一涂布于基材表面常溫放置24小時干燥后即可