成都杜甫草堂唐代遺址土體保護(hù)材料的選擇

王嘉堃，李東紅，周雙林，白玉龍

（1.首都師范大學(xué)歷史學(xué)院，北京 100048；2.北京大學(xué)考古文博學(xué)院，北京 100871；3.成都文物考古研究院，四川 成都 610000）

成都杜甫草堂是唐代大詩人杜甫于唐肅宗乾元二年（759年）至唐代宗永泰元年（765年）客寓成都的居所，是歷代紀(jì)念杜甫規(guī)模較大、保存完整、知名度較高的一處遺跡，儼然成為中國文學(xué)史上的一方圣地，1961年被國務(wù)院列為全國第一批重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

2001年10月，成都杜甫草堂博物館在建設(shè)地下管網(wǎng)的過程中，在北門內(nèi)東側(cè)苗圃距地表1 m深處發(fā)現(xiàn)了唐代瓷器殘件。成都市文物考古研究所會同成都杜甫草堂博物館進(jìn)行了搶救性發(fā)掘清理，發(fā)掘面積總計(jì)1 020 m2，發(fā)現(xiàn)了唐代的房屋基址、亭臺遺址以及水井（圖1）、排水溝等重要遺跡，出土了唐代碑刻等遺物。

圖1 唐代房屋基址、水井（來源：作者自攝）

這些發(fā)現(xiàn)既對再現(xiàn)唐代人們的生活場景意義重大，也豐富了杜甫草堂的歷史文化內(nèi)涵。

為了保護(hù)這處重要遺址，計(jì)劃對其開展保護(hù)研究，目的是盡可能地保護(hù)該處唐代遺址，防止和控制自然和人為因素對遺址的破壞，盡量保持遺址出土?xí)r的完整形態(tài)，延長遺址的壽命，并使遺址得較為到完美的展示。其中的內(nèi)容包括保護(hù)性展室的設(shè)計(jì)、地下水隔斷工程、土體的化學(xué)加固和防霉除草等方面。本文主要探討的是土體保護(hù)研究中材料的選擇。

1 土體加固劑的作用和要求

土體在自然因素如溫度變化、濕度變化、可溶鹽以及生物因素的作用下，會出現(xiàn)侵蝕與風(fēng)化現(xiàn)象，表現(xiàn)為表層顆粒脫落，輪廓模糊不清，外觀形狀的改變。為了對抗土體的風(fēng)化，可以采用控制環(huán)境因素的方法，也可以采用化學(xué)材料對土體進(jìn)行改性，從而提高土體的內(nèi)部連接力，恢復(fù)其本身強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

土體加固劑是現(xiàn)在常用的對抗侵蝕風(fēng)化的化學(xué)材料，主要用于考古遺址土體的防風(fēng)化，以及治理已經(jīng)出現(xiàn)風(fēng)化狀況的土遺址。防護(hù)時一般采用滴注或噴淋的方法使用。將加固劑按照合理濃度配置后，用滴管或噴淋裝置施用在被加固的土體上，待溶劑揮發(fā)后，加固劑中的固體成分在土體顆粒的間隙中固結(jié)，從而恢復(fù)顆粒之間的連接以及土體的完整性。

土體加固劑使用在文物或遺跡上，要求如下：

(1)材料容易制備，價(jià)格低，可接受；

(2)性能比較穩(wěn)定，保存容易，攜帶方便，不易變質(zhì)；

(3)低毒無害，對操作者沒有不利影響，對自然環(huán)境影響?。?/p>

(4)黏度低，滲透能力強(qiáng)；

(5)固結(jié)快，受環(huán)境條件影響小；

(6)固結(jié)完成后不改變土顏色、透氣性好等；

(7)固結(jié)后不在土體表面形成硬殼，與內(nèi)部土體無明顯的分界；

(8)耐老化性能好。

2 試驗(yàn)樣品的制備

根據(jù)對多個土遺址保護(hù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇了幾種在土遺址保護(hù)中成功的材料作為草堂遺址土體加固的備選材料，這些材料如下。

(1)甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）：與乙醇以3∶7（體積）配比混合使用；

(2)德國Remmers 公司的產(chǎn)品Remmers 300（R300）：與乙醇以3∶7（體積）的配比混合使用；

(3)K02：采用有機(jī)硅改性樹脂乳液制備的非水分散加固劑；

(4)21J：采用丙烯酸樹脂乳液制備的非水分散加固劑；

(5)TD：采用含有官能團(tuán)的丙烯酸樹脂乳液制備的非水分散加固劑。

非水分散加固劑的制備方法見有關(guān)文獻(xiàn)[1]。使用的濃度根據(jù)對土樣的初步加固試驗(yàn)，根據(jù)滲透速度選定為K02：1%，21J：0.5%，TD：1%。

2.1 土樣的制備

加固劑試驗(yàn)從理論上應(yīng)該在遺址上進(jìn)行，但是由于要試驗(yàn)的面積較大，而且是破壞性的，因此一般都采用在遺址周圍取土，仿照遺址土特性做重塑土樣進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)選擇草堂唐代遺址回填部分的土樣，保持含水率不變，粉碎后過篩，然后用制抗壓試模將粉土壓成φ50 mm×103 mm的土樣（圖2）。使用的制抗壓試模為北京工具廠生產(chǎn)。在草堂遺址采土樣約20 kg,制備土樣48個，其余部分做分析檢測。

圖2 模擬試驗(yàn)土樣（來源：周雙林?jǐn)z）

2.2 土樣的加固

土樣干燥后，采用以上所選的加固劑，用滴管從土樣上部滴加加固劑，滴加時注意加固劑不要在土樣表面積聚，待表面沒有加固劑液體時再滴加。不斷滴加，直至滲透土樣為止。

滴加過程中記錄滲透速度（圖3），3種非水分散體加固劑的滲透速度均高于甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）和R300。在30 min時，K02的滲透深度是80 mm；而MTEOS和R300的滲透深度均是58 mm。根據(jù)試驗(yàn)需要，每種材料制備土樣9個。

圖3 成都土體滲透速度（來源：作者自繪）

2.3 樣品的固化

滴加完加固劑的土樣要用塑料膜封閉保存2周。其中MTEOS和R300加固的土樣封閉時要放入一杯水，以起到保濕作用。樣品經(jīng)過2周的固化過程，測量重量，基本已達(dá)到穩(wěn)定，這時就可以進(jìn)行加固效果檢驗(yàn)。

3 室內(nèi)加固保護(hù)效果檢驗(yàn)

固化完成后的土樣即可進(jìn)行加固效果檢驗(yàn)，其中重量變化、顏色變化不需要破壞試樣，抗壓試驗(yàn)用樣3個，耐水試驗(yàn)用樣6個，試驗(yàn)完成后，分別進(jìn)行耐凍融試驗(yàn)和耐鹽試驗(yàn)。

3.1 重量變化

土樣加固前后的重量變化如表1～表5所示。

表1 土樣加固前后重量變化（K02）

表2 土樣加固前后重量變化（21J）

表3 土樣加固前后重量變化（TD）

表4 土樣加固前后重量變化（MTEOS）

3.2 顏色變化

加固劑處理要求盡量不改變文物的顏色。試驗(yàn)中以測色色差儀測量土樣加固前后的顏色變化，儀器為北京興光測色儀器公司生產(chǎn)的DC-P3型測色色差儀。對5個樣品的上表面進(jìn)行色差測量，結(jié)果可得出三刺激值（x，y，z），試樣明度L＊，黃變（dYi），色差（ΔE）等數(shù)值，其中色差（ΔE）通常作為比較顏色變化的指標(biāo)，表6給出了NBS單位的感覺值。

表6 NBS單位的感覺值

續(xù)表6

加固處理要求盡量不改變文物的外觀，尤其是顏色。試驗(yàn)中使用的是LAB 亨特表色系統(tǒng)。ΔE表示位于三維空間的兩色點(diǎn)之間的距離。ΔE=1時，稱為1個NBS色差單位，根據(jù)NBS可以判斷色差的大小。測量結(jié)果見表7。

由表7可見，R300色差變化最大，達(dá)到感知大的程度，從實(shí)物看，樣品的上部20 mm顏色較深；MTEOS的色差變化最??；K02、21J、TD的色差變化處于中間位置，目測基本感覺不到。

表7 土樣加固后的色差

3.3 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的目的在于：檢測土樣加固前后強(qiáng)度的變化，采用的儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的DW-1型電動應(yīng)變式無側(cè)限壓縮儀。

土樣加固后的抗壓強(qiáng)度較空白都有所增加（表8），說明采用化學(xué)材料對土樣進(jìn)行處理，可以提高土的內(nèi)聚力，達(dá)到加固的目的。

表8 土樣加固后的抗壓強(qiáng)度 MPa

3.4 耐水能力

耐水能力試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)土樣經(jīng)處理后耐受水分作用的能力，耐水能力強(qiáng)，在自然環(huán)境中既可抵抗液態(tài)水的浸泡，也可抵抗?jié)穸茸兓斐傻牟焕绊憽?/p>

將加固劑處理過的土樣放入盛有水的容器中，觀察記錄試樣在水中的變化情況及發(fā)生的時間（圖4）。土樣耐水試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

各種材料的試驗(yàn)表明：①耐水試驗(yàn)中MTEOS耐水能力最好，是因?yàn)榫酆虾蟮募庸虅┚哂芯芩芰?；②R300的耐水能力也很好，但是它吸水；③3種非水分散體加固劑部分脫落，是因?yàn)榧庸虅B透過程用量不夠。

表9 土樣耐水試驗(yàn)結(jié)果

圖4 耐水實(shí)驗(yàn)結(jié)果（來源：周雙林?jǐn)z）

3.5 耐凍融能力

耐凍融試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)加固處理土樣的耐凍能力。土樣耐凍融能力強(qiáng)，經(jīng)過這種材料處理的土體在自然環(huán)境中就有好的耐受低溫的能力，以避免結(jié)冰造成的破壞。

耐凍融試驗(yàn)方法參照公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程中的抗凍性試驗(yàn)（T0211—94）方法。在試驗(yàn)中只記錄樣品形狀變化情況。

將處理過的土樣放在盛水（水溫在20℃）的容器中，土樣浸入水中4 h后取出。擦去多余水分，將飽水土樣置于-25℃的低溫冰箱中冷凍4 h后取出，此為一個循環(huán)；然后再放回20℃的水中4 h，再次進(jìn)行冷凍（圖5）。多次循環(huán)并記錄，結(jié)果如表10所示。

表10 土樣耐凍融試驗(yàn)結(jié)果

圖5 凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果（來源：周雙林?jǐn)z）

從表10可見，MTEOS的耐凍融能力最好，但是這種耐凍融能力的獲得是通過拒水獲得的。土體處理后是否應(yīng)該具有拒水能力，現(xiàn)在還有爭論。

其他幾個樣品浸泡過程中都有吸水現(xiàn)象，其中耐凍融能力最好的是K02，上層的脫落在耐水試驗(yàn)中就出現(xiàn)，這是因加固劑滲透不完全的結(jié)果，除此之外，經(jīng)過5次凍融循環(huán)，只有部分表面出現(xiàn)脫落；而21J、TD的表面脫落較多；最差的是R300，這種材料加固的樣品經(jīng)過一次凍融試驗(yàn)已經(jīng)出現(xiàn)縱裂，之后開裂不斷擴(kuò)大，并出現(xiàn)表面脫落，經(jīng)過5次凍融循環(huán)只殘留了中間直徑約25 mm的部分。

3.6 耐鹽能力

試驗(yàn)方法參照工程石料試驗(yàn)規(guī)程中的堅(jiān)固性試驗(yàn)（TO212—94）方法。

試驗(yàn)方法：配制5%的硫酸鈉溶液，土樣先在此溶液中浸泡4 h，然后取出，拭去多余溶液，置于自然環(huán)境中風(fēng)干，此為一個循環(huán)；然后再浸泡、風(fēng)干；多次循環(huán)并記錄樣品形狀變化，結(jié)果如表11所示。

表11 土樣耐鹽試驗(yàn)結(jié)果

從表11試驗(yàn)結(jié)果可以看出：MTEOS耐水具有較好的耐鹽能力，其他幾種材料由于鹽結(jié)晶破壞嚴(yán)重，可見鹽結(jié)晶的破壞能力是很強(qiáng)的，幾種材料中，K02、TD的耐鹽能力比較好。

3.7 加固劑試驗(yàn)室檢驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)多個項(xiàng)目檢驗(yàn)的結(jié)果，可對幾種材料的可用性做如下評價(jià)。

(1)在幾種材料中，甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）的效果比較明顯，外觀上色差小，可提高土樣的抗壓強(qiáng)度，最為明顯的是其耐水性。由于這種材料固化后有拒水性，所以對其加固土樣進(jìn)行的耐凍融試驗(yàn)、耐鹽試驗(yàn)效果雖好，但都不能說明問題。如果從固結(jié)能力上講，這種材料是可以使用的。其缺點(diǎn)是材料固化后柔性不好，自然條件的變化（如溫度的變化）造成的收縮膨脹容易使其破壞，當(dāng)內(nèi)部土體由于遇水而膨脹時，內(nèi)外部會不協(xié)調(diào)，容易造成加固層脫落。另外，采用這種材料處理的土樣，增重大（約8.1 g）,增重多，堵塞土體內(nèi)部孔隙多，不利于土體的透水、透氣。

(2)R300材料在幾個方面都不好，例如增重大（約10.8 g），顏色變化大，不耐水、不耐凍融等，所以對于草堂遺址的土體加固保護(hù)，建議不使用。

(3)3種非水分散體加固劑，在增重、顏色變化、抗壓強(qiáng)度增加等方面都好。K02在耐水、耐凍融等方面表現(xiàn)好，耐鹽能力也好，所以建議使用。TD、21J兩種材料由于加固時加固劑用量不足，致使樣品的耐水、耐凍試驗(yàn)表現(xiàn)不好，出現(xiàn)上部脫落嚴(yán)重，但是剩余部分的耐水、耐凍融能力經(jīng)過幾次循環(huán)，基本保持了原形狀，所以在材料用量充足的情況下可以使用。

(4)滲透速度方面，3種非水分散體加固劑的速度要高于兩種有機(jī)硅材料，例如在半小時內(nèi)K02滲透到80 mm的深度，而兩種有機(jī)硅的滲透深度為58 mm。

(5)處理過程的安全性也需要考慮，兩種材料都需使用有機(jī)溶劑，故在施工中應(yīng)注意安全。另外，采用MTEOS處理，還有毒性問題，應(yīng)考慮嚴(yán)密的人身防護(hù)問題。

(6)根據(jù)以上所述，加固草堂遺址土體可選用的材料為K02，MTEOS。綜合指標(biāo)K02好于MTEOS。

根據(jù)以上綜合考慮，建議將兩種材料在現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)地應(yīng)用的效果，最終確定遺址加固所使用的材料。

4 加固劑實(shí)地試驗(yàn)

按照文物保護(hù)的要求，實(shí)驗(yàn)室選擇的材料需要在實(shí)地試驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)地環(huán)境條件的考驗(yàn)后，檢驗(yàn)其實(shí)際應(yīng)用效果并進(jìn)行可行性分析后，才能大面積應(yīng)用于文物上。

(1)K02的現(xiàn)場試驗(yàn)：①遺址西北部關(guān)鍵柱西側(cè)，左半部分，高為60 mm，寬為50 mm，上部潮濕，使用濃度為1%的加固劑2 000 mL，時間約30 min；②遺址北半部東南角平臺的北側(cè)面，高為70 mm，寬為50 mm，使用濃度為1%的加固劑2 000 mL，時間約30 min，檢查滲透深度，為30 mm以上。

(2)MTEOS的現(xiàn)場試驗(yàn)：①遺址西北部關(guān)鍵柱北側(cè)，右半部分，高為60 mm，寬為50 mm，上部潮濕，使用體積比為MTEOS∶乙醇=1∶1的加固劑2 000 mL，時間約為50 min；②遺址北半部東南角平臺的北側(cè)面，高為70 mm，寬為50 mm，使用體積比為MTEOS∶乙醇=1∶1的加固劑2 000 mL，時間約為50 min；檢查滲透深度，為30 mm以上。

加固完成3 d后，對加固效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，兩種材料加固的試驗(yàn)塊顏色沒有變化，K02處理的試驗(yàn)塊在次日就有固結(jié)能力，觸摸不掉土，與未處理部分有明顯區(qū)別；MTEOS處理的試驗(yàn)塊效果尚未顯示出來，因?yàn)檫@種材料需要一段時間才能固化。一月后檢驗(yàn)，K02固結(jié)效果明顯，達(dá)到了預(yù)想效果；而MTEOS的試驗(yàn)塊表面變化不大。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)地試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用K02和MTEOS材料與配置濃度在草堂唐代遺址的試用，滲透速度高，滲透能力強(qiáng)，不改變色澤，具有可用性。從效果看，K02固結(jié)快，加固效果好，短時間內(nèi)就有好的固結(jié)效果，是比較理想的材料；MTEOS的固化時間長，效果不明顯。