淺談石質(zhì)文物保護(hù)材料在石窟寺保護(hù)中的應(yīng)用

喬旭亮

（太原市天龍山石窟博物館，山西 太原 030025）

天龍山石窟位于太原市城區(qū)西南40 km 的天龍山南麓，海拔約1 400 m。始鑿于北朝時期的東魏，其后北齊、隋、唐歷代開鑿。1 400 多年來天龍山石窟在各種自然和人為因素的影響下，損壞嚴(yán)重。天龍山的地質(zhì)主要為砂巖和砂頁巖，因受到長年累月的風(fēng)吹、日曬和雨淋，巖面表層疏松，風(fēng)化剝落嚴(yán)重。天龍山石窟目前存在的主要問題包括裂隙、表面分化、空鼓、生物侵蝕等。

通過對天龍山砂巖礦物組成和物理力學(xué)性質(zhì)的檢測可知：①天龍山砂巖為含礫粗—中粒石英砂巖，石英含量高，化學(xué)成分以SiO2為主；②砂巖強(qiáng)度類型按實測飽和單軸抗壓強(qiáng)度分級，天龍山砂巖的飽和抗拉強(qiáng)度為52.94 ～56.05 MPa，屬于堅硬巖石；③天龍山砂巖不具崩解性、膨脹性低、軟化系數(shù)較低、抗凍性差、抗分化能力中等，影響天龍山石窟的因素有降雨、季風(fēng)和晝夜溫差較大等。

目前石質(zhì)文物保護(hù)材料的研究和應(yīng)用大致可分為如下幾個方向：無機(jī)加固材料、有機(jī)加固材料、復(fù)合材料、新型保護(hù)材料（有機(jī)氟聚合物、納米材料、生物型材料）。

位于天龍山天龍寺內(nèi)石質(zhì)文物構(gòu)件石獅和碑亭等作為天龍寺的附屬文物，近年來石質(zhì)文物風(fēng)化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，表面風(fēng)化片狀剝落、鱗片狀起翹、缺失、裂隙等病害嚴(yán)重。因此石刻文物的加固防護(hù)迫在眉睫。通過詳實的室內(nèi)外試驗、測試、分析、監(jiān)測，以及石質(zhì)文物專家的現(xiàn)場指導(dǎo)和論證，擬對風(fēng)化開裂較為嚴(yán)重的剝落和起殼石刻本體進(jìn)行針對性的加固。如果石獅和碑亭的修復(fù)效果良好，則也可對石窟同樣的剝落、起殼、開裂等危害進(jìn)行搶救性加固修復(fù)。

在進(jìn)行現(xiàn)場加固材料試驗之前，對現(xiàn)場采取試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，得出物理力學(xué)及理化性質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行了大量的加固材料的室內(nèi)模擬配比正交試驗。找出與項目區(qū)母巖強(qiáng)度相匹配，加固性能良好的加固材料，并在母巖本體上進(jìn)行實際加固操作。

現(xiàn)場防風(fēng)化材料從三個方面考慮，包括加固止水材料、防氣透水深層加固材料和表面滲透固結(jié)材料。根據(jù)前述所有針對母巖的物理力學(xué)、理化指標(biāo)結(jié)果，選擇加固材料的原則是兼顧母巖的強(qiáng)度，使得加固材料的強(qiáng)度比母巖的強(qiáng)度略低，另外由于當(dāng)?shù)貧鉁販夭钶^大，文物本體強(qiáng)烈的熱脹冷縮效益需遵循微應(yīng)變調(diào)控加固機(jī)制，保證加固材料與石刻母巖變形協(xié)調(diào)的一致性。

1 灌漿加固材料

1.1 裂隙灌漿材料

充填加固材料主要以水硬性石灰為主，石英砂、母巖砂巖粉等為輔。

水硬性石灰屬于無機(jī)灌漿材料，并且具有強(qiáng)度適宜、耐風(fēng)化、透氣性、抗凍融性強(qiáng)等優(yōu)點，近些年在文物保護(hù)中得到較廣泛的應(yīng)用。使灌漿材料硬化后強(qiáng)度能與裂隙兩側(cè)不同程度風(fēng)化巖體的強(qiáng)度相協(xié)調(diào)，需要進(jìn)行大量的配比實驗進(jìn)行驗證。

對于外露淺部裂隙以及文物本體附近裂隙的灌漿治理，本試驗方案在總結(jié)以往石質(zhì)文物保護(hù)中所使用灌漿材料的經(jīng)驗，結(jié)合其他文獻(xiàn)資料和科研成果，以NHL5 型水硬性石灰、偏高嶺土和石英砂為灌漿材料主料，以其他添加劑為輔料進(jìn)行配比實驗。

加固材料的流動性關(guān)系到工程應(yīng)用中材料與巖體裂縫間的填充效果，實驗配比采用水硬性石灰、偏高嶺土和石英砂作為主料，同時添加外加劑，共設(shè)計4 種實驗配比，通過改變兩種主料的不同比例研究其流動性。

在完成配合比實驗后，在不同的時間、用不同的設(shè)備和不同批號的材料，制作兩批（B80-19、B80-20）試塊進(jìn)行驗證，排除偶然因素的影響。經(jīng)過對實驗進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：B80-19、B80-20 兩組實驗取得的抗壓、抗折強(qiáng)度都得到了較好的結(jié)果，通過28 d 養(yǎng)護(hù)周期，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了22 MPa，對比前述母巖標(biāo)準(zhǔn)樣單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值P=35.78 MPa，以及凍融前表層非標(biāo)準(zhǔn)樣單軸抗壓強(qiáng)度平均標(biāo)準(zhǔn)值P=25.5 MPa，可見兩組材料配比實驗在強(qiáng)度上略小于文物本體或母巖的強(qiáng)度，具有較高的匹配性，同時滿足工程可灌入要求和微膨脹要求。

同時，對不同批號的材料S80 和B80 試塊進(jìn)行易溶鹽分析，排除偶然因素的影響，對比石刻本體及母巖的易溶鹽含量。通過對各組實驗試塊進(jìn)行易溶鹽測定，發(fā)現(xiàn)采用水硬性石灰為主易溶鹽的含量中，HCO3-和SO42-含量為0，CO32-和Cl-含量對比本體砂巖較多，其余陽離子含量較為接近，整體上考慮，易溶鹽含量較為匹配。

因此，在裂隙灌漿的治理中，本加固方案推薦采用以下配比方案，以后將此方案統(tǒng)稱為“水硬性石灰”：NHL5∶偏高嶺土∶石英砂=1∶0.6∶0.4，水灰比0.45∶0.5。

1.2 填充加固材料

填充加固材料天然水硬性石灰注漿料NHL-i03/100為天然水硬性石灰改性材料，適用于裂隙的灌漿和缺失部位的部分填充，該材料已經(jīng)進(jìn)行大量室內(nèi)和室外實驗驗證，具有適宜的強(qiáng)度和較好的有耐侯性。

防水透氣深層加固材料。無機(jī)硅保護(hù)液是專門為土、磚、石類文物研制的納米級（10 nm 以下）無機(jī)硅加固、保護(hù)材料，且不改變文物外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。分別起加固與封護(hù)的作用。適用于巖體風(fēng)化層厚度未超過10 mm 處的風(fēng)化部位。

1.3 裂縫封堵材料

所謂的裂縫封堵材料即選用環(huán)氧樹脂為有機(jī)灌漿材料，其優(yōu)缺點明顯，分別如下。

優(yōu)點為：①環(huán)氧樹脂為有機(jī)物，裂隙灌漿更具可灌性，更適合巖體細(xì)小裂隙灌注；②能夠按照工程的需求調(diào)節(jié)漿液的膠凝時間；③具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度。

缺點為：環(huán)氧樹脂在紫外線的照射下易發(fā)生老化。

因此在本項目中，環(huán)氧樹脂只用于裂隙封堵，是灌漿和裂隙內(nèi)部清洗的中間過程，不作為灌漿料和加固材料使用。

總結(jié)以往石質(zhì)文物巖體加固工程成功案例所積累的經(jīng)驗，本次環(huán)氧樹脂灌漿材料選用德國進(jìn)口的Viscacid?灌漿環(huán)氧樹脂100。

Remmers?灌漿環(huán)氧樹脂100 灌漿液推薦配比組成。一般配比率為A 組分∶B 組分，按質(zhì)量比為100∶28，按體積比為100∶36。

2 石獅子、碑亭加固方案

石獅子、碑亭的病害包括粉化剝落、片狀/鱗片狀起翹、缺失、裂隙和空鼓等。

2.1 粉化剝落、片狀/鱗片狀起翹加固措施

粉化剝落、片狀/鱗片狀起翹的病害主要由于膠結(jié)物大部分被溶蝕遷移所導(dǎo)致，因此治理思路為減緩粉化病害區(qū)膠結(jié)物溶蝕、加固片狀起翹防止其脫落。

粉化剝落的治理采取如下措施：①根據(jù)不同部分對治理區(qū)域進(jìn)行劃分，確定分片治理區(qū)域邊界；②采用蒸汽和丙酮對病害區(qū)域進(jìn)行清洗，清洗掉巖石粉塵和碎末；③對清洗區(qū)域進(jìn)行遮蓋，保護(hù)其表面清潔；④采用無機(jī)硅保護(hù)液對病害處進(jìn)行滴注，共滴注2 次；⑤保護(hù)液液滴注后采取保護(hù)措施，防止雨水和灰塵污染；⑥對加固表面進(jìn)行做舊處理。

2.2 局部缺失治理方法

局部缺失治理原則是對現(xiàn)狀的加固，防止缺失部分進(jìn)一步惡化，而不是修復(fù)，治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮對病害區(qū)域進(jìn)行清洗，清洗掉巖石粉塵和碎末，并且要對裂隙表面深處進(jìn)行除塵清洗；②對清洗區(qū)域進(jìn)行遮蓋，保護(hù)其表面清潔；③采用無機(jī)硅保護(hù)液對病害處粉化部位進(jìn)行滴注，共滴注2 次；④采用環(huán)氧膠泥對裂隙進(jìn)行封堵，并埋置注漿管和排氣管；⑤采用丙酮通過注漿管和排氣管對裂隙內(nèi)部進(jìn)行清洗；⑥丙酮揮發(fā)后，采用天然水硬性石灰對裂隙進(jìn)行灌漿加固；⑦對加固表面進(jìn)行做舊處理。

2.3 裂隙的治理方法

裂隙的治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮對病害區(qū)域進(jìn)行清洗，清洗掉巖石粉塵和碎末，并且要對裂隙表面深處進(jìn)行除塵清洗；②對清洗區(qū)域進(jìn)行遮蓋，保護(hù)其表面清潔；③采用環(huán)氧膠泥對裂隙進(jìn)行封堵，并埋置注漿管和排氣管；④采用丙酮通過注漿管和排氣管對裂隙內(nèi)部進(jìn)行清洗；⑤丙酮揮發(fā)后，采用天然水硬性石灰對裂隙進(jìn)行灌漿加固；⑥對加固表面進(jìn)行做舊處理。

2.4 空鼓的治理方法

空鼓的治理方法與裂隙的治理相似，但加固材料有所不同，具體的治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮對病害區(qū)域進(jìn)行清洗，清洗掉巖石粉塵和碎末，并且要對裂隙表面深處進(jìn)行除塵清洗；②對清洗區(qū)域進(jìn)行遮蓋，保護(hù)其表面清潔；③采用環(huán)氧膠泥對裂隙進(jìn)行封堵，并埋置注漿管和排氣管；④采用丙酮通過注漿管和排氣管對裂隙內(nèi)部進(jìn)行清洗；⑤丙酮揮發(fā)后，采用天然水硬性石灰注漿料NHL-i03/100 對裂隙及其下部空區(qū)進(jìn)行灌漿加固；⑥對加固表面進(jìn)行做舊處理。

2.5 碑亭的生物病害治理措施

碑亭的生物病害主要表現(xiàn)在砂巖表面顏色改變，加速了巖體的表面的風(fēng)化速度。由于生物病害的發(fā)生、發(fā)展與文物本體的砂巖質(zhì)和賦存環(huán)境有關(guān)，本方案對其治理思路為改善文物本體的表面環(huán)境條件，具體措施如下：①清除碑亭周邊及內(nèi)部風(fēng)積和塵土；②采用蒸汽對碑亭進(jìn)行徹底清洗；③清洗后采取防護(hù)措施，防止碑亭再被污染；④清洗干燥后對整個碑亭采用特種有機(jī)硅氟聚合物防水劑進(jìn)行防水處理，防水劑采用噴涂的方法進(jìn)行施工，以防水劑不成流為原則進(jìn)行噴涂；⑤防水劑噴涂后應(yīng)及時進(jìn)行覆蓋養(yǎng)生，待巖體干燥后再噴涂下一次，如此反復(fù)3 次。

3 結(jié)語

天龍山石窟與天龍寺內(nèi)的附屬文物石獅、碑亭材質(zhì)都為砂巖，區(qū)域空間的溫度、濕度等天氣條件相同。為更好地保護(hù)石窟寺，對石窟寺存在比較嚴(yán)重的粉化剝落、片狀/鱗片狀起翹、缺失、裂隙和空鼓等現(xiàn)象，也可以用此方法來進(jìn)行緊急修復(fù)，對石窟寺進(jìn)行搶救性保護(hù)，但原則是盡量不對文物本體進(jìn)行干預(yù)。