古滎漢代冶鐵遺址積鐵塊保護研究初探

□閻書廣

古滎漢代冶鐵遺址積鐵塊保護研究初探

□閻書廣

一、研究背景和意義

古滎漢代冶鐵遺址位于鄭州市惠濟區(qū)古滎鎮(zhèn)，是漢代國家冶鐵專營時期河南郡第一冶鐵工場。出土鐵器有灰口鐵、白口鐵、麻口鐵、鑄鐵脫碳鋼、古代球墨鑄鐵等，是目前世界上發(fā)現(xiàn)的時間最早、規(guī)模最大、保存最完整的冶鐵遺址?？陀^反映了我國漢代黑金屬冶鑄技術(shù)水平，在我國和世界冶鐵史上都占有重要位置。

積鐵塊本身體現(xiàn)了當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，也從某個側(cè)面反映了當(dāng)時社會的政治、經(jīng)濟、軍事、文化狀況。從整體來看，積鐵塊是極具歷史、藝術(shù)和科學(xué)價值的歷史遺存。由于古滎冶鐵遺址是全國目前已發(fā)現(xiàn)的少有的保存較完整的漢代冶鐵遺址，但有關(guān)積鐵塊的保護研究尚屬空白，因此很有必要予以研究，以填補此項空白。

二、積鐵塊的成因及保存現(xiàn)狀

積鐵塊是在冶鐵過程中產(chǎn)生的殘次品或副產(chǎn)物。按形成原因，可分為停爐后爐底積鐵、爐內(nèi)結(jié)瘤、未全熔的塊料、爐溫過冷產(chǎn)生的結(jié)塊和停爐后爐內(nèi)結(jié)塊等，按積鐵塊主要成分可分為鐵渣、未全熔的塊料等。因此，積鐵塊的性狀特征及成分取決于當(dāng)時的冶鐵生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)規(guī)模，是能夠客觀反映當(dāng)時冶鐵技術(shù)發(fā)展水平的重要實物憑證之一。

1975年，鄭州市博物館對鄭州市古滎漢代冶鐵遺跡進行了發(fā)掘。當(dāng)時，在發(fā)掘區(qū)發(fā)現(xiàn)有大型鐵塊，在一號煉爐東、西、南三面發(fā)掘清理出積鐵塊9塊，并對出土積鐵塊進行了初步保護。1976年，首都鋼鐵公司中心實驗室對一、五號積鐵塊進行了金相化驗（化驗結(jié)果見表一）。之后，隨著周圍基本建設(shè)的進行，又陸續(xù)在遺址范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)積鐵塊6塊。目前，古滎漢代冶鐵遺址發(fā)現(xiàn)的積鐵塊共有15塊。

表一 一號、五號積鐵塊化驗結(jié)果

1986年，在省、市有關(guān)部門的資助下，在遺址中心區(qū)煉鐵爐及其他重要遺跡處修建了遺址保護陳列室，并在保護陳列室舉辦了漢代冶鐵專題展覽，10月正式對外開放。為配合基礎(chǔ)建設(shè)及陳列、展覽，當(dāng)時對部分積鐵塊存放位置做了適當(dāng)?shù)囊苿印Ｄ壳埃?號積鐵塊位于陳列室內(nèi)二號煉鐵復(fù)原爐內(nèi)，其余14塊積鐵塊均位于室外簡易棚中（圖一）。

圖一 積鐵塊集中陳列區(qū)域

三、積鐵塊銹蝕主要因素分析

（一）積鐵塊表面附著物及硫酸根離子

在空氣流通的情況下，氯離子、硫酸根離子濃度的增大能加速鐵的腐蝕，而在密閉情況下就沒有這種影響，這說明鐵器在地下不通空氣的環(huán)境中相對較穩(wěn)定。出土鐵器在大氣環(huán)境中，會受到氯離子、硫酸根離子的加速腐蝕，只有及時地排除這些有害物質(zhì)，才有可能減緩鐵器在大氣環(huán)境中的腐蝕。

古滎漢代冶鐵遺址積鐵塊發(fā)掘清理出來后，囿于當(dāng)時的保護技術(shù)水平和資金短缺，未做專門的脫鹽處理。因此，積鐵塊表面附著物及硫酸根離子是部分積鐵塊出現(xiàn)銹蝕的一個主要因素。

（二）濕度對積鐵塊的影響

濕度對鐵器腐蝕速度的影響是，在沒有氯化物等其他電解質(zhì)的情況下，氧與水可使鐵器發(fā)生電化學(xué)腐蝕。其腐蝕過程，不僅與氧有直接的關(guān)系，而且在一定溫度下，鐵器的腐蝕與大氣的相對濕度也有十分密切的關(guān)系。如果大氣的相對濕度保持在60%以下，鐵的大氣腐蝕是很輕微的，當(dāng)濕度增大到鐵的臨界濕度以上，鐵的腐蝕速度會突然提高。因此，控制濕度，使器物不直接與空氣接觸，可以控制鐵器的腐蝕。

鄭州地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，干燥度指數(shù)小于1.5，屬濕潤區(qū)，年平均降水量為629.7毫米。古滎漢代冶鐵遺址積鐵塊保存環(huán)境為近開放狀態(tài)，保存環(huán)境的濕度很難控制（圖二）。因此，濕度過高也是部分積鐵塊出現(xiàn)銹蝕一個主要因素。

（三）溫度對積鐵塊保護的影響

溫度高，會加速文物的老化，降低它的強度。溫度忽高忽低、劇烈變化，會引起不同材質(zhì)的文物熱脹冷縮，從而導(dǎo)致文物衰變。溫度致害文物，主要是通過文物分子之間相互轉(zhuǎn)變和化學(xué)反應(yīng)活化能改變，致使文物的狀態(tài)改變，發(fā)生無法預(yù)知的損傷，縮短文物壽命。

鄭州市地處北溫帶，四季分明，年平均氣溫14.4攝氏度，春秋季節(jié)晝夜溫差較大。這是造成部分積鐵塊銹蝕的主要因素之一。

圖二 積鐵塊保存環(huán)境

（四）腐殖酸及根際微生物對積鐵塊保護的影響

植物腐敗及鳥類糞便中含有大量腐殖酸，腐殖酸對鐵質(zhì)物品和針鐵礦、白榴石、纖鐵礦、方解石等具有較強的腐蝕性；植物根際微生物生長繁殖過程中能夠釋放出代謝物、次生代謝物及胞外酶等，這些物質(zhì)均會造成積鐵塊腐蝕、剝落等損毀情況。

鄭州市漢代冶鐵博物館位于鄭州黃河濕地自然保護區(qū)，保護區(qū)內(nèi)有維管束植物80科284屬598種。在598種植物中，木本植物有38種，草本植物560種。區(qū)域內(nèi)動植物資源豐富，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分積鐵塊存放區(qū)域有植物生長繁殖，個別積鐵塊表面有鳥類糞便附著。因此，腐殖酸及根際微生物也是造成積鐵塊銹蝕的主要因素之一。（圖三）

四、積鐵塊保護的技術(shù)方案

（一）表面清理與脫鹽處理

表面清理：目前所發(fā)掘的15塊積鐵塊，除8號積鐵塊位于陳列室內(nèi)2號煉鐵復(fù)原爐內(nèi)之外，其余14塊積鐵塊均位于室外半敞開的簡易陳列棚中。經(jīng)多年放置，積鐵塊表面灰塵和鳥糞等表層附著物較多。因此，首先應(yīng)利用物理吹脫法對積鐵塊表面進行初步清理。對于鳥類糞污等黏附性較強的表層附著物，應(yīng)采用人工擦拭的方法去除。

脫鹽處理：化驗分析結(jié)果表明，積鐵塊中含有水合鐵礬2Fe(OH)SO4/Fe2O3·2SO3H2O、水鐵礬FeSO4H2O、 硅酸鉀 K4Si8O18、方解石 CaCO3、版鐵礬 FeH(SO4)2H2O等多種帶有硫酸根、亞硫酸根、硅酸根、碳酸根等的化合物，同時也含有石英α-SiO2等堿溶性化合物?；谏鲜鼋Y(jié)果及原因，本次積鐵塊脫鹽處理采用弱堿性物質(zhì)碳酸氫鈉NaHCO3對積鐵塊表面進行深度脫鹽處理，采用硼酸和蒸餾水對積鐵塊表面進行中和處理。具體方案如下：

首先，在常溫下配制碳酸氫鈉NaHCO3飽和溶液，人工將碳酸氫鈉飽和溶液均勻涂抹在積鐵塊表面并噴入積鐵塊開裂縫隙中，積鐵塊表面出現(xiàn)碳酸氫鈉晶體析出即可停止涂抹。然后，配制4%濃度的硼酸溶液，在碳酸氫鈉溶液涂抹24小時后，用噴霧裝置向積鐵塊表面噴灑4%濃度的硼酸溶液進行中和處理，積鐵塊表面沒有碳酸氫鈉晶體存在時，即可停止硼酸溶液噴灑。最后，用噴霧裝置向積鐵塊表面噴灑蒸餾水，對積鐵塊表面及開裂縫隙進行清洗。積鐵塊經(jīng)蒸餾水清洗后，應(yīng)采用輔助加溫的方法使其快速脫水干燥。

（二）裂縫填補及表面鈍化處理

古滎鎮(zhèn)漢代冶鐵遺址的 2號、3號、4號、9號、10號、12號等6塊積鐵塊，目前均出現(xiàn)不同程度的銹蝕、疏松、開裂，因此需對這6塊積鐵塊進行相應(yīng)的裂縫填補和表面鈍化處理。

裂縫填補：對積鐵塊的裂縫，應(yīng)根據(jù)其腐蝕脆弱程度， 把原積鐵塊的無害銹粉末填入裂縫，粉末裝填應(yīng)盡量密實，然后選用聚丙烯酸酯進行滴滲修補加固。對積鐵塊的殘缺部位，把聚丙烯酸酯和該積鐵塊的無害銹粉末調(diào)成糊狀，按積鐵塊原形修補。修補完成后，應(yīng)在60～80攝氏度條件下使修補積鐵塊“低溫干燥”、完全干燥，以使聚丙烯酸酯達(dá)到最佳效果，提高積鐵塊的耐腐蝕性能，減弱其在溫變時因結(jié)構(gòu)不均而產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)影響。

圖三 積鐵塊保存環(huán)境

表面鈍化處理：對經(jīng)過裂縫填補的6塊積鐵塊和其他9塊積鐵塊，采用甲基丙烯酸十三氟辛酯進行表面鈍化處理。表面鈍化處理時，應(yīng)選用柔韌性較好的毛刷蘸取甲基丙烯酸十三氟辛酯，將積鐵塊外露部分通體涂刷，常溫條件下使其固化，待其完全固化后進行二次涂刷，二次涂刷完全固化后再進行第三次涂刷。積鐵塊外露部分通體采用甲基丙烯酸十三氟辛酯鈍化處理后，再用氯仿溶液以同樣方法涂刷一次，以消除甲基丙烯酸十三氟辛酯固化后所產(chǎn)生的炫光，降低積鐵塊因鈍化處理所造成的視覺差異，達(dá)到保存積鐵塊美學(xué)觀賞價值的要求。

（三）環(huán)境封存

古滎鎮(zhèn)漢代冶鐵遺址的4號積鐵塊，目前出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的銹蝕、疏松、開裂、剝落等現(xiàn)象。X射線衍射分析表明，4號積鐵塊組分復(fù)雜，由多種化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、敞開保存易風(fēng)化的物質(zhì)組成。

因此，除采取上述措施進行保護外，還應(yīng)采取環(huán)境封存保護措施。對4號積鐵塊整體發(fā)掘，經(jīng)表面清理與脫鹽處理、裂縫填補及表面鈍化處理等保護后，將其放置在制作的密閉玻璃空間內(nèi)，使用氮氣或氬氣等惰性氣體填充密閉空間，以隔絕空氣，減緩積鐵塊的銹蝕速度。同時，對密閉空間進行人工溫度調(diào)控，避免積鐵塊因溫度劇變而造成的應(yīng)力開裂。

五、小結(jié)

積鐵塊的保護是一項新的研究，也是一項任重道遠(yuǎn)的長期工程。希望通過這個研究，為積鐵塊的保護提供一些思路和方法，以期能更好地保護這些優(yōu)秀的歷史文化遺產(chǎn)。

[1]王惠貞、朱虹、宋迪生等：《秦漢鐵器銹蝕機理探討及保護方法研究》，《文物保護與考古科學(xué)》2003年第1期。

[2]PH.DILLMANN,F.MAZAUDIER,S.HCERIER,S.HCEREL:Advancesin understandingatmospheric corrosion ofiron.[J].Corrosion Science,2004,46:1401～1429.

[3]D.NEFF,P.DILLMANN,M.DESCOSTES,etal:Corrosion of iron—arch aeological artefacts in soil.Estimation of the average corrosion rates in volving analytical techniques and thermodynamic calc ulations[J].CorrosionScience,2006,48:2947～2970.

（作者單位 鄭州市古滎漢代冶鐵遺址博物館）

[責(zé)任編輯 孟昭勇]