石质文物的生物加固方法探究文献综述

1、石质文物的生物加固方法探究文献综述前言表面风化是引起砂岩文物产生病害的重要原因之一。本文拟从砂岩表面风化的机理入手，结合具体案例的开展，对涉及砂岩文物表面风化加固的常见病害常见病害的处理程序、常用材料和处理方法等方面的内容进行系统梳理，以勾勒出砂岩文物表面风化加固处理的合理思路。自然风化的作用往往促使裸露在环境之中的石质文物出现表面模糊、疏松、 破碎等劣变状况的发生发展。而这样的情况也会直接导致作为石质文物核心信息的表面形象的逐渐消失。 在诸多的石质文物中，砂岩文物由于石材理化性质方面的原因，受到表面风化作用的影响尤为明显。因此， 在涉及砂岩文物的保护修复工作中，风化表面的加固处理也便成为了需

2、要加以考虑的重要环节。需要指出的是，作为文物保护修复的表面加固工作需要建立起一种全面、 系统、科学、有序的思维指导而绝不能孤立地看待。而这就涉及到了在进行具体的加固砂岩文物的过程中针对具体的表面病害状况进行联系的合理的操作化思考与执行。对于砂岩类石质文物的表面加固处理，大足宝顶千手观音的保护修复可以说是具有相当的典型性。另外， 在本次千手观音彩绘贴金石质文物专项保护培训中，也接触到了多例具体的砂岩圆雕造像的加固处理。借由典型案例的具体分析及操作说明，本文开展探讨的主要目的也正是在于对砂岩类石质文物表面风化加固处理的合理思路进行全面梳理。一、砂岩文物的风化作用（一）石质文物风化作用的一般机理气温

3、的反复变化以及各种气体、水溶液和生物的活动使石刻岩体在结构构造甚至化学成分上逐渐发生变化，使石材由整块变成碎块，由坚硬变得疏松，甚至组成岩石的矿物也发生分解，产生在当时环境下稳定的新矿物。这种由于湿度、大气、水溶液和生物的作用，使石刻岩体发生物理状态和化学组分变化的过程，称为风化。一般而言，根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用。物理风化作用也称为机械风化作用，是指岩石因温度变化及岩石空隙中水和盐类物质的物态变化，使石刻岩体发生机械破坏而又不改变其化学成分的过程。物理风化是一种机械的破坏作用，其结果是使岩石由表及里地变得疏松、碎裂、崩解，形成大小不

4、等、棱角分明的碎屑物。化学风化作用是指岩石中的矿物成分在氧、二氧化碳以及水的作用下，发生化学分解作用，产生新的物质。这些物质有的被水溶解，随水流失，有的属不溶解物质残留在原地。具体而言，化学风化的方式主要包括了溶解作用、水解作用、水化作用以及氧化作用。生物风化作用是指由于生物的活动而对石刻岩体所产生的破坏作用。它可分为生物的机械风化作用和生物的化学风化作用两种。一方面， 生物的机械风化作用集中体现为生物的生长生存活动，如植物根系对岩石的切割。另一方面，生物的化学风化作用主要表现为生物代谢分泌物及死亡后有机体分解物对岩石成分的腐蚀分解。岩石风化作用与水分和温度密切相关，温度越高，湿度越大，风化作

5、用越强;但在干燥的环境中，主要以物理风化为主，且随着温度的升高物理风化作用逐渐加强；但在湿润的环境中，主要以化学风化作用为主，且随着温度的升高化学风化作用逐渐加强.物理风化主要受温度变化影响，化学风化受温度和水分变化影响都较大。在自然界中，所有的风化作用往往是同时进行、互相影响、互相促进的，只有在具体情况下，它们才有强弱、主次之分。（二）砂岩的特性与风化作用在地质学上，我们通常所说的砂岩是一种已固结的碎屑沉积岩。粒径为0.625 2 毫米的砂粒含量占50%以上，其余为基质或胶结物。砂粒的主要成分为石英，其次为长石、云母、 岩屑等。胶结物的成分有硅质、铁质、 钙质。 以 SiO2 和 Al2O3

6、 为主， 含量在80%以上。相较于花岗岩、大理岩、石灰岩等其他常见的雕刻用石材而言，砂岩还具有层理构造发育明显、 密度及软硬度适中、孔隙率吸水率较高和常常伴生各种盐类次生矿物等特点。而这样的一些化学物理性质也决定了其是一种相对易于风化的石材。从上文介绍的风化作用的一般机理中，我们知道，岩石的风化作用主要包括了物理（机械） 风化、 化学风化和生物风化三种类型。从物理风化的角度来看，砂岩所具有的层理构造、较为适中的密度硬度、较高的孔隙和吸水率和伴生次生盐类高岭土类矿物的特点有助于物理风化作用的发展：层理构造、密度硬度适中有利于温差作用的持续发展，较高的孔隙和吸水率了对水参与下的冰劈作用以及盐分等的

7、迁移和体积变化等物理破坏作用提供了有利条件。从化学风化的角度来看，砂岩大多数造岩矿物是硅酸盐，它们较难溶解于水中。但当水中含酸或碱度较大时，则其溶解硅酸盐矿物的能力显著加大。温度和压力也能促使矿物的加速溶解。另外，砂岩中的长石属于强碱弱酸盐类，它经水解作用而形成高岭石、氢氧化钾和二氧化硅，其化学反应式如下：4KAlSi 3。8+6H 20fAl4Si4OioOH 8+8SiO2+4KOH（钾长石）（高岭石）其中， 氢氧化钾和二氧化硅呈溶液或溶胶状态随水迁移，只有难溶的高岭石呈粉末状残留下来。 再者， 砂岩所伴生或在表面积存的盐类等其他矿物所参与的水化作用也会导致砂岩本身化学风化的加剧。例如，附

8、着在砂岩表面的尘土中常常含有硬石膏（CaSOO成分。而硬石膏变为含水石膏（CaS04 2H20）,其体积要增大 30%。增大体积的过程必然对砂岩的表层 结构产生强大的压力。这些又有利于物理风化作用的进行。从生物风化的角度来看，砂岩所具有的密度硬度特征、较高的吸水和孔隙率的特征以及营养盐类物质的存在均为生物（尤其是微生物）风化作用提供了一个良好的基础环境。（三）砂岩文物表面风化的常见病害由于砂岩文物自身易于风化的特性，因此， 历史上暴露于自然环境之中的砂岩文物往往都存在着不同程度的表面风化表现。按照石质文物风化程度标准，砂岩文物的风化程度也可分为 5 级：1、未风化：刚雕凿完成的砂岩文物，岩质新

9、鲜，未见风化痕迹。2、微风化：岩体组织结构基本未变，仅沿裂隙面有铁锰质浸染或矿物略有变色有少量风化裂隙。3、中等风化：组织结构部分破坏，沿岩体裂隙面出现次生矿物，风化裂隙发育。4、强风化：组织结构已大部分破坏，岩体中的长石、云母已风化为次生矿物，裂隙很发育，突出部位发生破碎掉块。5、全风化：组织结构已完全破坏，模糊不清，表层呈土状堆积。随着表面风化作用程度的加剧，砂岩文物表面在物质成分、结构构造、甚至外貌形态上必然会产生一系列不利于文物安全或有损文物外貌的变化，而这样的变化即为砂岩文物的“表面风化病害”。当然，表面风化病害只是一系裂归因相同的病害统称。按照以现状描述确定病害名称的一般方法，参照

10、国家文物局颁布的文物保护行业标准石质文物病害分类与图示石质文物的表面风化病害又具体包括以下一些病害形式：1、表面粉化剥落一一指由于周期性温湿度变化、冻融作用及水盐活动等原因导致的石质文物表面的酥粉剥落现象。多发生于质地较为疏松的沉积岩类文物表面。2、表面泛盐指由于毛细水与可溶盐活动，使得可溶盐在石刻表面富集，并在表面 形成可溶盐富集结晶析出的现象。这类病害在石材质地较为疏松的砂岩、泥灰岩与凝灰岩文物表面较为常见，该类病害与毛细水活动密切相关。3、表层片状剥落一一指由于外力扰动、水盐破坏、温度周期变化等原因导致石质文物表层片状、板块状剥落的现象。这类病害多发生在岩石纹理较为发达、夹杂较多的沉积岩

11、质地石质文物的表层，且多伴随有表面空鼓起翘现象。4、鳞片状起翘与剥落一一指由于保存环境温差变化较大、易发生融冻现象或曾发生过 烟火焚烧的石质文物表面产生的起翘与剥落现象。5、表面溶蚀指长期遭受雨水冲刷的石质文物，特别是碳酸盐类质地文物的表面形成的坑窝状或沟槽状溶蚀现象，这类病害易导致石质文物表面纹饰、题刻的消失和破坏。酸性降雨会导致这一现象的加剧。6、孔洞状风化一一指石质文物表面溶解风化、软质夹杂物溶解脱落，而在石质文物上形成孔洞的风化现象。对于砂岩类石质文物而言，由于性质差异、赋存环境等因素的影响，以上的六种“表面风化病害”并非一定会在风化进程中依次出现或全部出现，并且各种具体病害的主次关系

12、或严重程度也各不相同，但是从砂岩文物的普遍情况来看，表面粉化剥落、表层片状剥落和鳞片状起翘与剥落，是最为常见的因表面风化而导致的病害形式。而对这几种形式的表面风化病害的保护修复工作一般均需涉及考虑进行风化表面的加固处理。二、石质文物加固的基本原则及思路（一）砂岩文物加固的目的砂岩文物风化表面加固是指通过一定的技术、材料的直接干预来辅助提高砂岩文物强度并削弱文物稳定性进一步劣化的可能的保护方法。在这里， 风化表面加固可以说是包括了两个方面的基本要求（目的）：一是提高砂岩文物已经风化破碎、松软的石质表面的机械强度和结构稳定性，二是防止砂岩文物表面尚未风化或风化程度较弱的石质出现进一步的风化。而这样

13、的两个方面的基本要求，对于包括砂岩文物在内的所有石质文物的加固处理均是具有普遍意义。（二）表面风化加固技术的优化操作1、表面风化加固技术的常见方法马里奥米凯利 詹长法主编文物保护与修复的问题 卷一在完成了对加固对象的 基本情况分析并筛选出符合使用要求的加固材料之后，即进入到加固处理的操作阶段。而通过对加固操作的优化也才能保证加固处理的最终效果。对于砂岩文物，结合其表面风化病害的一般类型常常采用的是表面化学加固的办法。而所谓的表面化学加固主要是指利用某些化学材料的化学应用特性与石材成分结构的综合作用，来提高砂岩文物表面风化层的整体强度与稳定性。一般而言，常见的化学加固方法包括滴渗法、浸润法和敷贴

14、法三种。马里奥米凯利 詹长法主编文物保护与修复的问题卷一所谓的滴渗法是在风化表面滴注加固剂，使其风化裂隙及石材孔隙逐渐向石材内部渗透。滴渗法是风化表面加固中最为常见且简单易行的方法，在加固时加固材料的渗透需尽量保证材料渗透的在纵深和平面上的均匀分布，一般先用低浓度溶液渗透后再使用高浓度渗透，高低浓度溶液渗透均需渗透至不再渗透为止从而保证渗透的深度和强度以避免出现加固材料只在石质表面浅层富集并进而产生表面结壳的不利现象的出现。另外， 对于停留在表面的加固剂要及时去除，以防止加固材料在石质表面结壳，影响加固渗透和表面结构。马里奥米凯利 詹长法主编文物保护与修复的问题卷一所谓的浸润法，主要是将加固对

15、象放入密闭容器中通过毛细作用将加固剂溶液渗透至器物内部。其浸泡的时间一方面与器物的厚度有关，另一方面还与石材的孔隙率有关，而通过采用加压或真空技术可以提高加固剂的渗透效果。一般而言，浸润法主要针对那些小型的可移动的石质文物，并且石质的表面情况较为简单、加固面积也较大。马里奥米凯利 詹长法主编文物保护与修复的问题卷一所谓的敷贴法，主要是通过在器物表面敷贴棉纱布，外加塑料膜以减少溶液挥发，可以延长器物和溶液的作用时间，提高加固剂的渗透深度。2、风化加固的预处理与后期处理王金华主编大足石刻保护文物出版社表示对于砂岩文物风化表面加固而言，无论具体采用何种方法，对于文物风化表面的适当的预处理和加固后的后

16、期处理都是十分重要且必要的过程，预处理与后期处理的好坏也将直接影响到整个加固效果。在对砂岩文物风化表面加固进行预处理一般会涉及到对风化表面的适当清洗和预加固。在这里，适当清洗之于加固处理的主要意义在于防止尘土污垢对于加固材料的渗透性和作用效果的影响扩大石质表面与加固材料的直接接触和提高石材表面的渗透率。此外， 将适当的清洗安排在加固处理之前，也是在于避免加固材料对于表面尘土污物产生固着现象，进而导致表面的尘土污物难以去除影响文物美观甚至对加固效果产生危害。许多的砂岩文物由于风化程度较深，表面已变得疏松、模糊， 尤其是较为严重的粉化剥落的情况，对其表面的处理会变得十分困难。在这样的情况下，就需要

17、在安排进行清洗和正式加固之前采取一定程度一定范围的预加固处理。预加固处理的要求是对风化表面的一些历史人工信息进行先期强化，以避免在清洗之时，由于操作不当而造成这些重要信息的损失，同时也不影响正常的表面清洗工作和后期的正式加固。对于表面的预加固，所使用的加固材料需要低于正式加固时所使用的材料浓度，以免影响正式加固时加固材料的渗入效果。对于加固完成后的后期处理，主要需要关注在加固表面是否存在眩光、是否存在加固剂渗透不足的情况和执行对于加固效果的跟踪监测养护。在加固完成之后，随着加固材料的结膜成形， 在加固材料过于富集的地方往往会产生眩光现象并进而影响文物表面的美观。而在某些地方，加固材料渗透不足又

18、会导致风化区域的表面强度不够甚至会导致次生破坏的发生。因此，在加固处理完成之后，首先要建立起后期处理的思维，采用加固稀释剂对加固表面产生眩光的区域进行适当稀释减弱眩光，采用加固剂对一些风化较重区域进行补充加固以提高文物表面的整体强度。另外， 由于加固处理效果的评估会是一个相对长期的过程，因此在完成加固之后，对于文物的跟踪监测和后期养护也需要实时有序的跟进从而提高表面加固的整体质量和加固作用的长期稳定有效。3、表面风化加固的具体实施砂岩文物的表面加固是一个具体的、系统的操作过程。整个过程的实现需要我们在严谨而完整的思考之下以具体的操作方案技术的合理选择、判断与控制的形式加以呈现，以保证加固处理的

19、科学有效。在上文提到的圆雕人像的加固处理的实际操作中，结合该造像砂岩石材与千手观音造像石材接近，表面渗透性好，表面以粉化剥落病害为主且效为严重，鳞片状起翘剥落区域相对较小且现状稳定的情况。我们尝试使用了千手观音石质表面加固用的改性醋酸纤维素材料对该件造像进行了表面加固处理。具体的做法为：（ 1） 、 针对修复对象正面及两侧面存在的大面积的粉化剥落的状况，为了保护修复对象，清洗中仅以洗耳球轻轻地吹去表面浮尘，进一步的清洗需待预加固处理后进行。（ 2） 、 使用乙酸乙酯对清洗完毕的圆雕人物残像表面进行提高渗透率的预处理，其中对粉化剥落部位等风化较重的部位进行了两次乙酸乙酯的渗透预处理以加强处理效果

20、，待干。（3）、使用5 %改性醋酸纤维溶液针对造像表面风化状况不同的区域反复进行了2-4次注射渗透加固直至石质表面不再渗入溶液为止以增强石质表面强度。（ 4） 、 在进行表面渗透加固的同时，对于表面近于脱落的岩屑，进一步使用木制修复刀配合棉纸（衬垫作用）对其进行按压加固，防止其脱落。（ 5） 、 加固处理完成之后，经过几天观察后，对造像风化表面进行了补充完善，对部分区域出现的眩光进行了稀释处理，对加固不充分的现象进行了补充加固。（ 6）对前期制作的病害图、现状描述、工作日志、修复报告进行整理并存档。四、结论及建议砂岩文物由于其自身性质的原因，常常需要面对表面风化劣变的困扰。然而， 面对砂岩文物的加固处理却又必须慎之又慎。对于砂