航空有機(jī)玻璃在白鶴梁題刻水下參觀廊道的應(yīng)用

（重慶中國(guó)三峽博物館，重慶 400015）

白鶴梁題刻是三峽大壩工程中最重要的文物搶救保護(hù)項(xiàng)目之一。2003年至2009年，國(guó)家采用了“無(wú)壓容器”方案對(duì)題刻進(jìn)行原址水下保護(hù)。工程歷時(shí)7年，耗資2.1億元，建成了目前世界唯一的水下遺址博物館。博物館分地面陳列館和水下題刻參觀區(qū)，觀眾參觀完地面陳列館后，乘坐90 m長(zhǎng)的扶梯進(jìn)入長(zhǎng)江江底，向江心步行147 m進(jìn)入水下題刻參觀區(qū)，通過(guò)參觀廊道23個(gè)觀察窗近距離觀賞白鶴梁千年題刻，達(dá)到參觀高潮，這樣的呈現(xiàn)方式是不同于國(guó)內(nèi)外其他文物保護(hù)工程的核心價(jià)值所在。2013年2月，參觀廊道部分觀察窗玻璃發(fā)現(xiàn)有不規(guī)則的絲狀。經(jīng)相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)到現(xiàn)場(chǎng)多次檢驗(yàn)分析，初步判斷上述現(xiàn)象為“銀紋”，其原因?yàn)椴ＡчL(zhǎng)期受水下20～38 m的壓力、水體腐蝕等，玻璃結(jié)構(gòu)抗壓能力減弱形成的玻璃裂紋早期現(xiàn)象。任其發(fā)展，不但影響題刻的觀賞效果，更為嚴(yán)重的是存在重大安全隱患，觀察窗玻璃一旦破裂，整個(gè)參觀廊道被淹沒(méi)，白鶴梁題刻保護(hù)工程將付之一炬。

為解決這一問(wèn)題，確保白鶴梁水下博物館可持續(xù)發(fā)展，白鶴梁水下博物館與錦西化工研究院開(kāi)展合作，結(jié)合白鶴梁題刻保護(hù)展示實(shí)際，研發(fā)具有抗壓強(qiáng)度高、透光性好、抗沖擊性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)的航空有機(jī)玻璃。以期提升題刻在水下的觀賞效果，消除白鶴梁題刻參觀廊道玻璃存在的安全隱患，確保水下參觀安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全，解決制約白鶴梁水下博物館正常開(kāi)放的重大瓶頸，讓這座世界上唯一的原址保護(hù)水下題刻能繼續(xù)呈現(xiàn)在世人面前。

1 白鶴梁題刻展示方式選擇

三峽水庫(kù)建成蓄水后，白鶴梁題刻位于最低蓄水的水位以下，保護(hù)白鶴梁題刻的思路主要有兩種：一種是就地加固原址保護(hù)；另一種是切割搬遷異地保護(hù)。從長(zhǎng)江三峽文物搶救保護(hù)工程開(kāi)始啟動(dòng)以來(lái)，專家們先后提出過(guò)多種保護(hù)方案，并進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的論證。水下原址保護(hù)方案的共同點(diǎn)都是原址原樣、原環(huán)境保護(hù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)國(guó)際文化遺產(chǎn)保護(hù)界普遍遵循的保護(hù)原址，作為水文遺產(chǎn)的白鶴梁題刻不應(yīng)離開(kāi)它原來(lái)的位置，不應(yīng)脫離它賴以存在的江水環(huán)境，原址保護(hù)成為保護(hù)白鶴梁題刻的基本前提條件。此處筆者僅對(duì)水下加固原址保護(hù)的方案進(jìn)行論述。

1.1 “水晶宮”方案

該方案為天津大學(xué)1996年初構(gòu)擬的白鶴梁題刻保護(hù)展示方案。方案的基本思路是：在白鶴梁題刻的中心區(qū)構(gòu)建水下展廳，并通過(guò)水下通道等方式與地面陳列館相連，使參觀者可進(jìn)入水下展廳從而參觀白鶴梁題刻，達(dá)到水下原址保護(hù)、展示和研究的目的（圖1）。該方案包括兩種具體設(shè)計(jì)方案：一種雙層拱式的壓力覆室；另一種蜂巢格式的壓力覆室。二者都是在白鶴梁題刻集中區(qū)覆罩混凝土耐壓覆室進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)和展示，其余散布的零星題刻則采用原地“封護(hù)”的方式在水中原址保護(hù)。此外，兩種方式在水下展示廳與地面展示廳的連接方式和其他輔助建筑的設(shè)計(jì)也有不同。采用這種方案，觀眾可以在覆室內(nèi)無(wú)區(qū)隔地近距離觀察題刻，獲得與參觀地面博物館展品相同的觀賞效果。

1.2 “無(wú)壓容器”方案

該方案是在2001年由葛修潤(rùn)院士提出了具有創(chuàng)新性意義的“無(wú)壓容器”原址水下保護(hù)概念。其基本構(gòu)想是將白鶴梁題刻原址保護(hù)體看作一個(gè)容器，其內(nèi)注滿清水，作用在水下保護(hù)體外面的水壓力壓強(qiáng)與內(nèi)壁面上的水壓力壓強(qiáng)相同，或只差很小的量。也就是說(shuō)，保護(hù)體內(nèi)有水，且壓力強(qiáng)度與當(dāng)時(shí)作用在外壁面上的長(zhǎng)江水壓力壓強(qiáng)同步變化。采用這種方案，白鶴梁題刻將處在無(wú)壓的保護(hù)體中，保護(hù)體內(nèi)外采用專設(shè)的平壓循環(huán)水系統(tǒng)，保持保護(hù)體內(nèi)水壓與外部的江水壓力平衡，題刻處于平壓狀態(tài)，水下保護(hù)殼體結(jié)構(gòu)亦處于內(nèi)外水壓平衡的工作狀態(tài)，只承受外江風(fēng)浪力與若干年后水庫(kù)淤積作用于外側(cè)的壓力、自重載荷和地震力，且具有可修復(fù)性。在遺產(chǎn)展示方面，該方案擬修建一條耐壓水下交通廊道通過(guò)無(wú)壓覆室，游人通行于參觀廊道中，透過(guò)耐壓玻璃或水下攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀賞清水中的白鶴梁題刻（圖2）。

“水晶宮”方案盡管是保護(hù)和展示白鶴梁題刻較為理想的方式，但該方案面臨工程技術(shù)和建設(shè)成本的巨大挑戰(zhàn)；有壓覆室的保護(hù)殼將承受近40 m水壓力、壓強(qiáng)；巖基與殼體的密封處理需采用高壓灌漿，極難處理；長(zhǎng)期的滲流可能導(dǎo)致白鶴梁薄砂巖層毀壞；水下施工周期長(zhǎng)，時(shí)間緊迫，投資費(fèi)用高，對(duì)航道和防汛的影響大?！盁o(wú)壓容器”方案通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)保持殼體內(nèi)外水壓平衡，克服了水下題刻原址保護(hù)鎖面臨的不良地質(zhì)和航運(yùn)等方面的不利因素，保護(hù)殼體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，且可修復(fù)?！盁o(wú)壓容器”方案雖然在展示上較“水晶宮”方案有所限制，但參觀者可通過(guò)參觀廊道23個(gè)觀察窗或通過(guò)水下實(shí)時(shí)攝像系統(tǒng)隨時(shí)觀看白鶴梁題刻。經(jīng)專家反復(fù)研究論證，最終選擇了“無(wú)壓容器”方案。

2 技術(shù)路線

要在水下將近40 m處展示白鶴梁題刻，其核心在于23個(gè)玻璃窗，設(shè)置的23個(gè)觀察窗采用雙層亞克力玻璃結(jié)構(gòu)，共46張。內(nèi)窗玻璃直徑為825 mm，厚度88 mm；外窗玻璃直徑為790 mm，厚度為84 mm，其優(yōu)化工藝如圖3所示。

由于白鶴梁觀察窗常年在近40 m的高壓水環(huán)境下，其板材厚度在95 mm左右，在聚合過(guò)程中傳熱非常困難，其關(guān)鍵技術(shù)是如何利用聚合動(dòng)力學(xué)、傳熱規(guī)律研究及聚合微觀結(jié)構(gòu)研究材料性能影響規(guī)律，通過(guò)復(fù)合引發(fā)劑種類的選擇、引發(fā)劑用量調(diào)整、水浴聚合工藝優(yōu)化，提高板材的聚合成功率和聚合效率。

甲基丙烯酸甲酯的聚合是一個(gè)典型的自由基連鎖聚合反應(yīng)，屬于放熱反應(yīng)。分為鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)和鏈終止3個(gè)過(guò)程，其中鏈引發(fā)為吸熱過(guò)程，鏈增長(zhǎng)為放熱過(guò)程，聚合效果主要取決于這兩個(gè)過(guò)程。所以引發(fā)體系的選擇、聚合工藝參數(shù)（溫度等）的控制，對(duì)聚合成敗起著關(guān)鍵的作用。結(jié)合MMA本體聚合的聚合動(dòng)力學(xué)及放熱規(guī)律、引發(fā)體系、聚合工藝等對(duì)原板大分子微觀交聯(lián)結(jié)構(gòu)影響的研究成果，以及板材微觀交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能影響的研究成果，先后對(duì)引發(fā)體系、聚合溫度控制等聚合工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 引發(fā)劑種類及其用量的優(yōu)化

在YB-3有機(jī)玻璃水浴厚板批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)借鑒引發(fā)體系對(duì)原板大分子微觀交聯(lián)結(jié)構(gòu)影響的研究成果，95 mm厚輕度交聯(lián)有機(jī)玻璃的引發(fā)體系采用過(guò)氧化二碳酸酯、偶氮二異庚腈和偶氮二異丁腈復(fù)合引發(fā)體系，在聚合初期先由過(guò)氧化二碳酸酯分解引發(fā)聚合，然后由偶氮二異庚腈和偶氮二異丁腈引發(fā)聚合，從而使體系得以均勻聚合。在確保板材聚合成功率和板材理化性能的前提下，通過(guò)對(duì)引發(fā)劑用量的多次調(diào)整，解決了厚板聚合時(shí)間長(zhǎng)、成功率低的難題，提高了聚合成功率。

2.2 低溫聚合溫度選擇

在引發(fā)劑種類和用量一定的前提下，聚合溫度是影響聚合速度的又一個(gè)關(guān)鍵因素。經(jīng)過(guò)前期仿真計(jì)算和試驗(yàn)，確定了95 mm有機(jī)板材的水浴聚合溫度為：30℃維持12 h、28℃維持48 h、26℃維持24 h、24℃維持至體系變硬，去邊后進(jìn)高溫烘房升溫處理，這樣既縮短了聚合時(shí)間又容易控制。在高溫烘房升溫過(guò)程中，為解決有機(jī)炸板問(wèn)題，保證聚合成功率，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)分析，確定了升降溫條件。

2.3 升、降溫速度選擇

(1)升溫條件：板材去邊后，進(jìn)入高溫風(fēng)浴烘房，40℃維持2 h后，在8.5 h內(nèi)均勻升至125℃，且維持5 h。

(2)降溫條件：在2 h內(nèi)由125℃均勻降至100℃，維持2 h；在1 h內(nèi)由100℃均勻降至90℃，維持2 h；在1 h內(nèi)由90℃均勻降至80℃，維持2 h；在1 h內(nèi)由80℃均勻降至70℃，維持1 h；在1 h內(nèi)由70℃均勻降至60℃，維持1 h，經(jīng)2 h將溫度均勻降至40℃后停止。

按此工藝制備出95 mm厚交聯(lián)有機(jī)玻璃原板成功率達(dá)到95%，主要技術(shù)參數(shù)均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求（表1）。

表1 主要技術(shù)要求及實(shí)測(cè)值

3 解決的實(shí)際問(wèn)題

航空有機(jī)玻璃的工藝優(yōu)化，解決了白鶴梁題刻水下保護(hù)工程與題刻水下保護(hù)和展示利用的主要問(wèn)題：①滿足了白鶴梁水下參觀廊道玻璃窗在長(zhǎng)江水下38 m處的技術(shù)要求，新使用的航空有機(jī)玻璃抗壓強(qiáng)度高、抗沖擊性強(qiáng)，消除了白鶴梁題刻保護(hù)工程原參觀廊道玻璃存在的安全隱患；②新應(yīng)用玻璃具有更好的透光性，提升了題刻在水下的辨識(shí)度和整體觀賞效果；③新應(yīng)用玻璃抗衰性能較好，使用壽命長(zhǎng)，延長(zhǎng)了玻璃更換的周期，減少了題刻保護(hù)工程維護(hù)成本；④創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外同類保護(hù)工程水中更換玻璃先例，解決了今后觀察窗玻璃清洗、更換重大技術(shù)難題；⑤解決了制約白鶴梁水下博物館正常開(kāi)放的重大瓶頸。

4 應(yīng)用情況

有機(jī)玻璃自2015年4月驗(yàn)收運(yùn)行至今，白鶴梁題刻觀察窗狀況良好，未發(fā)現(xiàn)任何銀紋。其良好的抗壓強(qiáng)度、透光性、抗沖擊性，大大提升了題刻的辨識(shí)度和觀賞效果，得到觀眾的普遍認(rèn)可。不再因玻璃泛黃、透光性弱等原因，無(wú)法看清水中題刻（圖4），比如有機(jī)玻璃更換之前觀賞較為模糊的清康熙二十四年的雙鯉石魚(yú)，現(xiàn)在透過(guò)玻璃窗清晰可見(jiàn)，白鶴梁水下博物館也未再像過(guò)去因水中題刻辨識(shí)不清停止對(duì)外開(kāi)放，圖5是參觀廊道玻璃窗更換后拍攝的觀賞效果，較更換前觀賞效果明顯提升。

清晰的觀賞效果使得需潛水員進(jìn)入保護(hù)體清洗題刻的次數(shù)降低。過(guò)去題刻平均每2個(gè)月需清洗1次，在2015年5月開(kāi)館后，僅需9月清洗1次，大大延長(zhǎng)了題刻的清洗周期。既降低了白鶴梁題刻的維護(hù)成本，更減少了因人為清洗對(duì)題刻的影響。此種航空有機(jī)玻璃還能在航空、水族館等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

創(chuàng)造性地將航空專用有機(jī)玻璃應(yīng)用于白鶴梁水下題刻的保護(hù)和展示利用，這既是科學(xué)技術(shù)與水下文物保護(hù)相結(jié)合的一種新方式，也是水下施工作業(yè)的一次巨大挑戰(zhàn)。臨水面玻璃更換需在長(zhǎng)江水下20～38 m的題刻保護(hù)體內(nèi)進(jìn)行，潛水員水下施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，在國(guó)內(nèi)外無(wú)同類工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒。

航空有機(jī)玻璃在白鶴梁題刻保護(hù)的應(yīng)用，是我國(guó)對(duì)水下文物保護(hù)，特別是水下文物原址展示的科技手段的突破。隨著國(guó)外埃及水下博物館、墨西哥水下雕塑博物館的建成以及《威尼斯憲章》中對(duì)文物就地保護(hù)的提出，各國(guó)對(duì)水下文化遺產(chǎn)更加重視，未來(lái)對(duì)水下文物需要全面的保護(hù)、展示及利用，這一創(chuàng)新性的應(yīng)用將為更多的水下文化遺產(chǎn)保護(hù)與利用提供借鑒。