平遙古城墻毛細(xì)水上升控制方法探索性研究

□ 王立志 黃繼忠 任建光 梁喜平

平遙古城墻毛細(xì)水上升控制方法探索性研究

□ 王立志 黃繼忠 任建光 梁喜平

古建筑墻體毛細(xì)水上升受古建筑墻體的水分進(jìn)入量、蒸發(fā)率以及古建筑材料的微觀結(jié)構(gòu)特性三方面的影響。在分析毛細(xì)水上升影響因素的基礎(chǔ)上，探索性地提出了毛細(xì)水上升控制的三大原則，對(duì)毛細(xì)水上升控制方法的種類進(jìn)行劃分。根據(jù)平遙古城墻的具體情況對(duì)各種毛細(xì)水控制方法進(jìn)行全面的分析，按照對(duì)古城墻原貌的破壞程度、控制效果、實(shí)施難易程度、成本費(fèi)用的優(yōu)先順序綜合對(duì)比確定毛細(xì)水控制方法在平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)中的可行性順序如下：修復(fù)石膏法、古城墻表面加熱方法、古城墻墻基底部通風(fēng)方法、化學(xué)阻隔方法、古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法。橫截古城墻墻體嵌入不透水阻隔層的方法、古城墻墻體建造拱形斷面的方法以及大氣虹吸管的使用在平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)中并不可行。

平遙古城墻，毛細(xì)水上升控制方法，可行性分析

一、古建筑墻體毛細(xì)水上升控制方法選擇的理論原則

（一）古建筑墻體毛細(xì)水上升影響因素

平遙古磚墻屬于典型的多孔古建筑材料，多孔古建筑材料水分的吸收和運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的多相位現(xiàn)象，而且受到多種不同驅(qū)動(dòng)力作用的影響[1]。

受孔隙曲率和磚墻表面水汽蒸發(fā)的影響，毛細(xì)水最大上升高度在實(shí)際的磚石建筑中要比理想毛細(xì)管低很多，毛細(xì)水最大上升高度就是所謂的“均衡線”，可以在視覺(jué)上將潮濕區(qū)域與干燥區(qū)域較為清晰地分離開(kāi)來(lái)。盡管在磚石建筑中存在著幾乎穩(wěn)定的“均衡線”，穩(wěn)態(tài)的毛細(xì)水上升過(guò)程是存在的。毛細(xì)水最大上升高度取決于進(jìn)入古建筑墻體的水分含量、蒸發(fā)率以及古建筑材料的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（孔隙的大小和數(shù)量、孔隙間的非連通性等）[2]。毛細(xì)水最大上升高度實(shí)際上就是毛細(xì)水上升引發(fā)的水分吸收和蒸發(fā)造成的水分損失之間達(dá)到“動(dòng)態(tài)”均衡時(shí)的狀態(tài)。地下水位埋深（影響水分吸收）與局部地區(qū)小氣候和空氣的流通（影響蒸發(fā)率）可能隨著季節(jié)變化而波動(dòng)，從而引發(fā)毛細(xì)水上升高度的季節(jié)性波動(dòng)[3]。經(jīng)過(guò)對(duì)一些古建筑墻體的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)水上升高度通常為0.5~1.5米[4]，有的可達(dá)4米甚至更高[5]。實(shí)際上毛細(xì)水上升高度取決于墻體的厚度和蒸發(fā)環(huán)境。在羅馬圣貝爾納多教堂中，墻體的厚度為4米，上升潮氣可達(dá)5.3米[6]。而在威尼斯圣馬可教堂前廳，墻體厚度為0.7~2米，并且在表面有大理石板，毛細(xì)水上升高度可達(dá)6米，會(huì)對(duì)拱頂處鑲金藝術(shù)作品產(chǎn)生一定威脅[7]。

（二）古建筑墻體毛細(xì)水上升控制原則和策略

由于古建筑墻體毛細(xì)水上升受古建筑墻體的水分進(jìn)入量、蒸發(fā)率以及古建筑材料的微觀結(jié)構(gòu)特性三方面的影響。古建筑墻體毛細(xì)水上升的控制應(yīng)遵循如下三大原則：

1.盡可能減少墻體水分進(jìn)入量

2.盡可能增大水分蒸發(fā)率

3.改變古建筑墻體結(jié)構(gòu)及材料特性來(lái)降低墻體的整體吸水能力。

根據(jù)以上原則，有一些策略可以被應(yīng)用于控制毛細(xì)水上升，如通過(guò)修建地下的排水系統(tǒng)來(lái)減少進(jìn)入墻體水分，通過(guò)墻基通風(fēng)、墻體表面加熱等策略來(lái)增大水分蒸發(fā)率，通過(guò)減小古建筑材料的多孔性、吸濕性和墻體的橫斷面等策略來(lái)降低墻體的整體吸水能力。

二、毛細(xì)水上升控制方法在平遙古城墻保護(hù)中的應(yīng)用分析

對(duì)毛細(xì)水上升控制方法的種類進(jìn)行合理和準(zhǔn)確的劃分，并對(duì)各類方法的特征和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行清晰地分析是至關(guān)重要的，可以為古建筑墻體文物保護(hù)工作的開(kāi)展及研究方向的確定提供科學(xué)的理論依據(jù)。國(guó)際上已經(jīng)有多種古建筑墻體毛細(xì)水上升的控制方法被嘗試和研究，但是每種方法的原理和特點(diǎn)各不相同，所以在進(jìn)行平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)研究時(shí)，要根據(jù)平遙古城墻的具體情況對(duì)各種毛細(xì)水控制方法進(jìn)行全面的分析。

1.基于減少古建筑墻體水分進(jìn)入量的方法

在古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法是基于減少古城墻水分進(jìn)入量的原則，通過(guò)阻止鄰近土壤的水分接近古城墻墻基來(lái)減少水分進(jìn)入量，同時(shí)空的排水渠還可以在一定程度上增加古城墻墻體水分的蒸發(fā)。從實(shí)施難易程度上看，不論是夯土城墻內(nèi)側(cè)“內(nèi)馬道”及磚石城墻外側(cè)地面均可以進(jìn)行翻修重建，通過(guò)翻修重建基本可以實(shí)現(xiàn)地下排水渠的修建。從成本費(fèi)用來(lái)看，該方法在修建過(guò)程中土建施工的成本費(fèi)用不低。修建好之后在地表位置安裝檢修柵網(wǎng)可以保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法僅僅對(duì)城墻內(nèi)側(cè)“內(nèi)馬道”和外側(cè)地面進(jìn)行改造，對(duì)于古城墻本身文物的原貌不會(huì)產(chǎn)生太大破壞，但是地震發(fā)生時(shí)地下排水渠可能會(huì)使古城墻墻基自身的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征發(fā)生一定改變。該方法對(duì)于古城墻毛細(xì)水上升的控制效果還需要系統(tǒng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。。

2.基于增加古建筑墻體水分蒸發(fā)原則的方法

（1）古城墻墻基底部通風(fēng)的方法

在古城墻墻基底部安裝通風(fēng)系統(tǒng)，可以增加墻基處的水分蒸發(fā)從而減少毛細(xì)水從城墻墻體的上升，國(guó)外有些專家對(duì)安裝通風(fēng)系統(tǒng)這一新的控制毛細(xì)水的方法進(jìn)行了相關(guān)研究。從實(shí)施難易程度上看，該方法是將城墻兩側(cè)地面翻修時(shí)在地表以下安裝通風(fēng)系統(tǒng)，在平遙古城墻處完全可以實(shí)現(xiàn)。從成本費(fèi)用來(lái)看，安裝通風(fēng)系統(tǒng)除需要土建施工費(fèi)用外，還需要相關(guān)通風(fēng)設(shè)備的費(fèi)用，因此成本也不低。該系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步研究而改善，通風(fēng)設(shè)備表面發(fā)生的鹽結(jié)晶可能導(dǎo)致系統(tǒng)的損壞。該方法也是對(duì)城墻兩側(cè)地面及墻基進(jìn)行翻修改造，改變了墻基自身的結(jié)構(gòu)特征，可能在地震發(fā)生時(shí)影響其墻基的穩(wěn)定，但是對(duì)于古城墻本體的原貌不會(huì)產(chǎn)生太大破壞。根據(jù)國(guó)外專家實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果分析，該方法對(duì)于古城墻毛細(xì)水上升的控制會(huì)有較好效果，具有很好的研究前景。

（2）修復(fù)石膏的使用

在平遙古城墻使用修復(fù)石膏劑，在通過(guò)增加古城墻表面的蒸發(fā)率來(lái)降低毛細(xì)水上升高度的同時(shí)，可以緩解可溶鹽結(jié)晶所引起的城墻風(fēng)化破壞。該方法比較容易實(shí)施，成本也不是很高，基本對(duì)古城墻本身原貌沒(méi)有破壞，對(duì)毛細(xì)水上升控制及可溶鹽結(jié)晶破壞的緩解均有一定效果。

（3）古城墻表面加熱的方法

通過(guò)對(duì)古城墻墻體表面加熱增加水分蒸發(fā)率來(lái)對(duì)毛細(xì)水上升進(jìn)行控制是比較有效而且容易實(shí)施的，長(zhǎng)期加熱的用電量有一定成本，對(duì)古城墻本身的原貌基本沒(méi)有破壞，但是由于古城墻所處環(huán)境氣溫和濕度存在季節(jié)性變化及日變化，該方法的效果隨著加熱溫度及加熱時(shí)間的不同而不同，為了選擇合適的加熱溫度和加熱時(shí)間，需要通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究分析不同環(huán)境氣溫和濕度下古城墻墻體表面加熱方法的有效性。

（4）大氣虹吸管的使用

在平遙古城墻使用大氣虹吸管的具體方法是先在古城墻墻體鉆好傾斜的孔洞，后將燒制的陶土管、穿孔的塑料管或金屬導(dǎo)管插入，并用多孔水泥漿密封，實(shí)施過(guò)程并不難，成本也不是很高。由于要在古城墻墻體鉆孔，該方法對(duì)于古城墻的原貌有一定的破壞。一定情況下，由于鹽分的結(jié)晶作用大氣虹吸管也會(huì)損壞，影響了該方法的穩(wěn)定性。許多研究表明該方法對(duì)于控制毛細(xì)水上升缺乏有效性，甚至在缺乏直接的太陽(yáng)輻射或古城墻周圍空氣相對(duì)濕氣（向墻體供給水分）較高的情況下，該方法某種程度上可能導(dǎo)致墻體變得更為潮濕。

3.基于降低古建筑墻體吸水能力原則的方法

（1）古城墻墻體建造拱形斷面

在古城墻墻體中將墻基底部修筑成拱形斷面是通過(guò)減少墻基底部的橫斷面積來(lái)降低古城墻墻體吸水性能，從而控制毛細(xì)水大上升。該方法需要對(duì)古城墻墻體進(jìn)行較大的改動(dòng)翻修，技術(shù)非常復(fù)雜，而且需要較高的費(fèi)用。該方法會(huì)大規(guī)模破壞古城墻的原貌。另外這種手段會(huì)將機(jī)械壓力集中在古城墻的有限部位，很可能威脅到古城墻的安全性和穩(wěn)定性，特別是地震發(fā)生時(shí)更為危險(xiǎn)。因此，從等各方面考慮該方法都不適合在平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)工作中使用。

（2）橫截古城墻墻體嵌入不透水阻隔層的方法

該方法通過(guò)橫截古城墻墻體嵌入不透水的阻隔層來(lái)控制毛細(xì)水的上升。該方法技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，需要利用線切割等方法將古城墻墻體截?cái)?，然后嵌入鋼板、鉛板、瀝青膜、聚乙烯膜、聚酯膜或聚氯乙烯膜等不透水阻隔層，同時(shí)平遙古城墻墻體也比較厚，因此實(shí)施難度較大，費(fèi)用高昂。這項(xiàng)方法可能使古城墻墻體的剪切強(qiáng)度下降，而變形能力和能量損耗增加。在地震發(fā)生時(shí)不透水阻隔層可能成為滑動(dòng)平面，增加了古城墻自身結(jié)構(gòu)的地震易損性。在完整的古城墻中嵌入不透水阻隔層可能會(huì)造成較差的黏附性和灰漿不能完全填充空隙，造成古城墻結(jié)構(gòu)較大變化。這種方法較大規(guī)模改變了古城墻的原貌，在平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)中并不可取，在已經(jīng)發(fā)生大范圍崩塌需要整體重修時(shí)可以考慮使用不透水阻隔層控制毛細(xì)水上升的方法。該方法的控制效果需要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)分析判斷

（3）化學(xué)阻隔方法

化學(xué)阻隔的方法是在古城墻墻體的基地部位鉆孔，然后在低壓條件下或者在液壓下注入氣孔阻塞物或者疏水材料。該方法實(shí)施比較容易，費(fèi)用較低，對(duì)古城墻建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不良影響有限，相較于橫截古建筑墻體嵌入不透水阻隔層的方法，該方法更具有實(shí)用性。由于需要在古城墻的基地部位鉆孔該方法對(duì)于古城墻原貌有一定的改變?；瘜W(xué)阻隔方法的有效性取決于很多因素，例如水的飽和度、灰漿和磚的接觸面、古城墻材料的特征和多樣性、PH值、墻體中存在的裂縫和注入孔的位置、注入壓力和持續(xù)時(shí)間等等。在真實(shí)的墻體中，大部分因素都難以控制，因此這些技術(shù)方法的有效性極難預(yù)測(cè)，而且許多問(wèn)題仍然存在。在原位情況下對(duì)于真實(shí)的古城墻墻體難以控制注入化學(xué)防水劑的滲入深度，另外，該技術(shù)方法實(shí)施后具有不可逆性?；瘜W(xué)阻隔方法的長(zhǎng)期效果需要通過(guò)對(duì)古城墻進(jìn)行長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)一步研究。

三、平遙古城墻毛細(xì)水控制方法的可行性討論

在對(duì)不同毛細(xì)水控制方法的特點(diǎn)分別進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，按照對(duì)古城墻原貌的破壞程度、控制效果、實(shí)施難易程度、成本費(fèi)用的優(yōu)先順序綜合對(duì)比確定在平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)上的可行性。

遵照“不改變文物原狀，修舊如舊”的原則，將對(duì)古城墻原貌的破壞程度作為首要考慮的要素，分為四個(gè)層次。第一層次，對(duì)古城墻原貌破壞程度最重的是橫截古城墻墻體嵌入不透水阻隔層的方法和古城墻墻體建造拱形斷面的方法，這兩種方法都較大規(guī)模破壞了古城墻原貌；第二層次，對(duì)古城墻本體原貌有一定破壞，大氣虹吸管的使用和化學(xué)阻隔的方法都需要在古城墻墻體進(jìn)行鉆孔，一定程度上破壞了古城墻原貌；第三層次，是在古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法以及古城墻墻基底部通風(fēng)的方法，這兩種方法對(duì)古城墻本體沒(méi)有破壞，但可能改變古城墻墻基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)降低其穩(wěn)定性和安全性；第四層次，基本對(duì)古城墻原貌沒(méi)有破壞的是修復(fù)石膏法以及古城墻表面加熱的方法。根據(jù)比較分析，對(duì)古城墻原貌破壞程度較重的兩種方法目前暫可不考慮進(jìn)行試驗(yàn)研究和應(yīng)用。

對(duì)于不同毛細(xì)水控制方法的效果進(jìn)行分析比較可知，缺乏有效性的是大氣虹吸管的使用；效果較難預(yù)測(cè)的是在古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法以及化學(xué)阻隔的方法；有一定效果的是古城墻墻基底部通風(fēng)的方法、修復(fù)石膏法和古城墻表面加熱的方法。根據(jù)分析可以將大氣虹吸管的使用排除在選擇范圍之外。

對(duì)于不同毛細(xì)水控制方法的實(shí)施難易程度和成本費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比分析可知，古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法和古城墻墻基底部通風(fēng)的方法實(shí)施的技術(shù)難度較大，費(fèi)用較高；容易實(shí)施且成本費(fèi)用不高的是修復(fù)石膏法、古城墻表面加熱的方法以及化學(xué)阻隔的方法。

綜合各方面分析，毛細(xì)水控制方法在平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)中的可行性可以按照如下順序排序：修復(fù)石膏法、古城墻表面加熱方法、古城墻墻基底部通風(fēng)方法、化學(xué)阻隔方法、古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法。

四、結(jié)論及建議

毛細(xì)水上升控制方法的可行性分析不僅可以使平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)工作有的放矢、有據(jù)可依，還為今后毛細(xì)水上升在古城墻風(fēng)化的作用研究指明了方向。毛細(xì)水控制方法在平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)中的可行性順序如下：修復(fù)石膏法、古城墻表面加熱方法、古城墻墻基底部通風(fēng)方法、化學(xué)阻隔方法、古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法。橫截古城墻墻體嵌入不透水阻隔層的方法、古城墻墻體建造拱形斷面的方法以及大氣虹吸管的使用在平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)中并不可行。在今后平遙古城墻防風(fēng)化保護(hù)實(shí)際應(yīng)用和研究中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。另外值得相關(guān)研究學(xué)者重視的是，毛細(xì)水上升控制方法的長(zhǎng)期效果可以通過(guò)毛細(xì)水運(yùn)移模擬進(jìn)行定量預(yù)測(cè)和比較，同時(shí)也需要長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)分析研究。

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（作者工作單位：王立志，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)水環(huán)學(xué)院；黃繼忠，山西省文物局；任建光，云岡石窟研究院；梁喜平，平遙古城墻管理處）