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研究关键技术 推进石质文物的科学保护——“十一五”国家科技支撑计划“石质文物防风化保护和施工工艺研究”课题成果展示
2013-08-23
云冈石窟是我国众多石窟石质文物中的杰出代表。其文物本体的存在形式、保存环境、病害形式及种类与我国其它不可移动及相关石质文物均具有共同之处，是极具代表性的石质文物。但是云冈石窟普遍存在水患、结构失稳、表面风化、污染等四大问题且日益严重。这其中，长期的风化作用对云冈石窟造成了严重破坏，特别是工业发展导致的环境污染和酸雨加剧了这些石质文物的风化程度。文物防风化问题如果不能得到及时稳妥的解决，将对我国的文化遗产造成不可挽回的损失。没有完善的保护技术支撑体系与实施规范的支持，很多行之有效的保护措施难以及时实施，这也直接影响了我国大型室外不可移动石质文物保护工作的广泛展开。
作为“十一五”国家科技支撑计划“石质文物保护关键技术研究”项目课题之一，“石质文物防风化保护和施工工艺研究”由中南大学承担，课题组围绕以上问题，主要工作是在在云冈石窟病害调查基础上，提出我国石窟类文物风化特征、风化关键影响因素及其防风化治理关键技术点。同时以云冈石窟作为范例，在梳理既往保护技术手段的基础上，研发云冈石窟类砂岩文物集可溶盐消除、渗透补强、表面封护、抗生物处理为一体的石窟寺类文物综合防风化技术实施体系。针对石质文物风化问题开展防风化材料设计及相关制备技术研究，研究一系列石窟文物专用保护材料，并开发出适合云冈石窟砂岩石雕加固的防风化材料。在此基础上，推广石质文物保护材料防护性能的综合评价技术，确定材料在保护实施过程中的施工工艺条件、施工技术，同时研究施工工艺的技术控制体系，对整个文物保护施工过程进行有效的技术评估及技术控制。研究和推广不可移动文物的防风化保护施工工艺并建立一套现场应用技术保证体系及质量保证体系，确保石质文物保护工程效果，建立起一支结构合理并适应石质文物防风化材料设计和制备技术需求的高层次人才队伍，最终达到对石质文物科学保护的目的，并有利于加强我国文化遗产科技基础条件平台的建设和提高文化遗产保护工作的科技含量。
一、课题具体的研究内容
1．云冈石窟石质文物保存状况：利用已有资料，在云冈石窟50年来科学研究所取得的研究数据基础上，对云冈石窟石质文物保存状况进行调研，并掌握开展石质文物防风化研究的第一手资料和数据。
2．以云冈石窟为代表的石窟寺文物风化状态评估体系研究：首先对云冈地区近30年或更长时间以来的酸雨、降尘、风环境、温度、水文、大气、可溶性盐的物态变化等关键自然因素的变化做一个统计调查。同时，选择几个典型的云冈石窟雕塑，对石窟寺内的微环境变化进行统计调查和科学分析。在此基础上，通过取样分析，借助先进材料表征和化学分析技术，对构成云冈石窟的石质以及石质文物风化产物开展相关测试和评估，以便对课题的研究主题石质本身的材料物理性质、化学性质、内部结构、化学组成和胶结物类型等有全面的基础性数据，结合地质、温度、水文、大气等相关资料，澄清由自然环境变化和微生物腐蚀等引起云冈石窟石质文物风化的关键因素。
3．云冈石窟石质文物防风材料：在全面理解引起云冈石窟石质文物风化的关键因素基础上，对云冈石窟已试验和使用过的防风化材料做全面梳理和评价，结合国内外已获得良好保护效果的几种石质文物保护材料，包括文物表面防护材料和加固材料，选择几种有代表性的保护材料进行性能评价，筛选出有代表性的防风化材料作为课题的基体材料；针对石质文物防风化开展材料设计、合成、环境老化测试和科学评估；在环境老化测试和科学评估基础上，研究几种比现有防风化材料性能显著提高的石窟文物专用保护材料，研发云冈石窟类砂岩文物集可溶盐消除、渗透补强、表面封护、抗生物处理为一体的石窟寺类文物综合防风化技术实施体系。推广石质文物保护材料保护性能的综合评价技术，并建立一套石质文物保护材料的技术评价体系。
4．云冈石窟石质文物防风化材料环境老化评价：针对石质文物劣化的几种主要影响因素，制造一套能有效模拟自然环境条件下物理作用、化学作用、生物作用等的防风化材料环境老化测试设备，以此为基础，建立一套完整的模拟环境老化评价系统。研究石质文物劣化与环境因素的关系，并评价保护材料的保护效果。
5．不可移动文物的防风化保护施工工艺、现场保护施工质量控制体系：在解决云冈石窟寺实际保护问题的基础上，展开深入拓展研究，确定材料在保护实施过程中的施工工艺条件和施工技术，建立一套现场应用技术保证体系及质量保证体系，同时研究施工工艺技术控制体系，对整个保护施工过程进行有效技术评估及技术控制，建立起一套系统技术控制及评价体系。提出我国石窟类文物综合防风化治理实施工艺标准与质量控制体系，同时研发石窟寺类文物防风化保护长期有效性评估技术与评估标准，推进石窟寺类文物保护研究体系的健全。
二、课题完成情况
依照课题任务书的要求，课题组完成了以下研究内容：
1．云冈石窟文物保存现状及水文地质环境调查；
2．云冈石窟病害调查和云冈石窟石质文物微环境评价；
3．云冈石窟石质文物风化机理调查；
4．云冈石窟已使用过的防风化材料的梳理和评估；
5．石质文物纳米有机–无机杂化防风化材料设计和制备技术研究；
6．云冈石窟石质文物专用保护材料效果评估；
7．云冈石窟石质文物专用保护材料综合老化评价；
8．防风化保护现场施工工艺研究；
9．石质文物专用保护材料现场保护施工质量控制体系标准。
三、课题取得的成果及创新性
在云冈石窟病害调查和风化机理研究基础上，课题组共研发了3种石质文物专用防风化材料。
1．以四甲氧基硅烷和甲基三甲氧基硅烷为基体，以甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯为补充，并添加少量的含氟有机物和纳米二氧化硅／石质石粉颗粒，材料具备了色差小、渗透深度深及综合防风化效果良好的特点。
2．在制备TiO2包覆SiO2复合纳米颗粒基础上，通过高能机械球磨结合超声分散的方法，制备了无机（TiO2包覆SiO2的复合纳米颗粒）–有机（含氟有机物）杂化超疏水性薄膜，所制备的疏水性纳米复合薄膜渗透深度好、透气性好、耐老化能力强，其耐酸性能和耐盐腐蚀性能的提高尤其显著。
3．以具有良好综合防风化性能的甲基三甲氧基硅烷为有机物，通过与二氧化硅溶胶的机械混合而制备出有机–无机防风化杂化材料。材料的粘度低（接近于水的粘度）、凝胶时间短且稳定性好。同时有效地降低了单一有机物加固涂层的开裂几率。此外，防风化复合材料引起试样的色差变化小，加固吸收率明显地高于单一有机物，透气性、耐酸性和耐盐性显著提高，也高于商用加固材料（KSE OH300和WackerOH100）。
在实验室前期试验研究基础上，选取云冈石窟风化严重的第5-28窟为保护对象，分别采用涂刷法、喷涂法、湿敷法、滴注法及钻孔灌浆滴注法等开展了加固防风化现场局部试验施工工艺研究，初步试验效果良好。其中，以甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯为补充，并添加少量的含氟有机物和纳米二氧化硅／石质石粉颗粒的杂化防风化材料加固效果显著，其加固渗透深度达到
在此研究基础上，发表科技论文7篇，其中已被SCI／EI收录的论文2篇，EI／ISTP检索期刊和会议论文集论文5篇；在国际、国内学术会议宣读课题研究进展论文6人次；发明新工艺2项；设计新装置2套；提出云冈石申请国家发明专利3项[l1] ；提出云冈石窟石质文物专用保护材料现场保护施工质量控制体系标准1项。
课题组在云冈石窟建立了第5-28窟防风化材料及施工工艺试验基地，以开展云冈石窟石质文物专用保护材料施工工艺研究；在云冈石窟第5-28窟建立了云冈石窟石质文物保护专用保护材料长期使用效果评估示范点，以开展云冈石窟石质文物专用保护材料长期使用效果评估；在中南大学粉末冶金研究院建立了石质文物保护专用保护材料制备的小规模中试线，以开展云冈石窟石质文物专用保护材料制备。依托中南大学粉末冶金国家实验室和粉末冶金国家工程研究中心，石质文物保护专用保护材料中试线包括物理法和化学法制备纳米粉体的技术和装置、有机–无机杂化防风化材料制备技术和装置、材料效果评估技术等。实验室掌握了成熟的纳米粉体合成技术，例如化学共沉淀法和溶胶–凝胶法等。同时，实验室能够开展纳米二氧化硅、纳米氢氧化钙、纳米氢氧化钡、掺杂二氧化硅等纳米粉体的尺寸大小和形状的可控制备。
通过课题的实施，培
四、成果应用前景分析
课题组的实验室和现场试验均初步显示，相比已有商用材料，所研制的防风化材料对砂岩类石质文物的防风化保护效果明显，课题组将以产学研协同技术攻关的形式，继续与云冈石窟研究院合作开展课题的成果推广工作，例如，风化严重的第5-28窟的有机–无机杂化防风化材料，以及纳米二氧化钙基脱盐加固材料的长期加固效果评估工作。课题研究成果的推广将有力地推动我国在砂岩类石质文物，特别是云冈石窟风化严重区域的本体保护进程。
