大氣污染對20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)石材的影響及預(yù)防性保護(hù)措施探究

文／屈靜 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部 碩士研究生

引言

20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)是離我們最近的歷史建筑，其形式多樣、技術(shù)先進(jìn)、文化內(nèi)涵豐富，20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)的存續(xù)對我們意義重大，因此，對此類建筑的保護(hù)勢在必行。在20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)中石材的使用較多，且處于建筑的顯著位置，所以石材的劣化會對建筑的安全性、結(jié)構(gòu)以及外觀產(chǎn)生不可估量的損害，需要引起重視。文章所指石材包括石材圍護(hù)結(jié)構(gòu)、石材墻腳構(gòu)造、石材裝飾及石構(gòu)件等。建筑遺產(chǎn)石材出現(xiàn)劣化，這不僅是自然風(fēng)化和老化的結(jié)果，也是不斷發(fā)展的工業(yè)以及社會和經(jīng)濟(jì)生活演變的結(jié)果，空氣質(zhì)量下降使得建筑遺產(chǎn)遭受到大氣污染物的侵蝕與破壞。雖然近年來我國的空氣質(zhì)量有所改善，但是也無法將污染效應(yīng)降至為零，因此，大氣污染物對20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)石材的侵蝕作用也不容小覷。

隨著保護(hù)理念和技術(shù)的發(fā)展，建筑遺產(chǎn)保護(hù)工作者開始從預(yù)防性保護(hù)角度開展了一些建筑遺產(chǎn)研究與實踐工作。文章將從預(yù)防性保護(hù)角度總結(jié)石材病害類型，深入分析大氣污染對石材造成的不利影響，從而探索預(yù)防性保護(hù)措施，以期避免大氣污染物對石材造成持續(xù)破壞。

1 我國大氣污染對石材影響的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)早在20 世紀(jì)末，就有學(xué)者開始關(guān)注環(huán)境污染問題，王明康等[1]就環(huán)境污染對石質(zhì)文物的影響進(jìn)行了探討，研究表明，大氣污染是石質(zhì)文物病害產(chǎn)生的重要因素。邊歸國等[2]提出對石質(zhì)文物造成風(fēng)化腐蝕的主要有二氧化硫、二氧化碳、二氧化氮、臭氧等大氣污染物，蔡素德[3]、陳衛(wèi)昌等[4]還主要探討了酸雨對石質(zhì)文物的影響。后來隨著國內(nèi)工業(yè)化的發(fā)展，空氣質(zhì)量不斷惡化使得大氣污染物對石材的破壞加劇，加之保護(hù)理念向“預(yù)防性保護(hù)”傾斜，周文靜等[5]探討了大氣污染對石質(zhì)文物的破壞機(jī)理及防護(hù)措施，范子龍等[6]以預(yù)防性保護(hù)理念為指導(dǎo)，探討了對石質(zhì)文物保存環(huán)境的監(jiān)測。關(guān)于建筑遺產(chǎn)石材保護(hù)方面的研究也取得了一定成果，主要集中在保護(hù)材料及清洗技術(shù)方面[7]，以及對石材病害機(jī)理的研究[8]。

雖然關(guān)于大氣污染及石材保護(hù)的研究成果較多，但對石材預(yù)防性保護(hù)方面的研究相對較少，對于石材病害機(jī)理的研究也多是站在修復(fù)角度。目前對建筑遺產(chǎn)的保護(hù)表現(xiàn)出重單體、輕環(huán)境的現(xiàn)象。然而，要做到預(yù)防性保護(hù)，就需要對特定環(huán)境中的石材病害進(jìn)行分析，否則，便無法對可能產(chǎn)生的病害進(jìn)行預(yù)判。在注重建筑遺產(chǎn)本體的同時，也應(yīng)該重視建筑遺產(chǎn)所處環(huán)境，因此有必要了解大氣環(huán)境對石材造成的影響，以便采取相應(yīng)的預(yù)防措施，抑制病害的發(fā)生。

2 20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)石材病害分析

2.1 病害類型

石材的病害由諸多因素引起，因此病害的表現(xiàn)形式也是多樣的（表1）。20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)石材主要的病害類型如下：

表1 20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)石材病害跡象（表格來源：作者自繪自攝）

裂縫：石材出現(xiàn)開裂及隆起現(xiàn)象。

溶蝕：酸霧或酸雨等與石材發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鈣，雨水將硫酸鈣等溶解沖掉，出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。

酥堿：表現(xiàn)為石材表面不同類型的泛堿現(xiàn)象，有白色粉末狀物質(zhì)析出。

剝落：石材表層出現(xiàn)粉化、起翹與片狀剝落等現(xiàn)象。

結(jié)殼：外界物質(zhì)沉積在石材表面形成殼層的現(xiàn)象。

風(fēng)化：主要是可溶性鹽造成的石材內(nèi)外各種破損。

微生物附著：石材表面由于藻類或菌類附著導(dǎo)致石材顏色發(fā)生變化。

斑痕變色：在石材表面出現(xiàn)異于石材本色的顏色及斑痕等，包括水斑水漬、銹黃斑等。

在上述石材的主要病害類型中，溶蝕、酥堿、結(jié)殼、微生物附著等病害都與大氣污染息息相關(guān)。

2.2 影響因素

石材本身具有復(fù)雜的化學(xué)成分，加之大氣污染中的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）及大氣顆粒物等因素都會與石材成分發(fā)生反應(yīng)，從而破壞石材。二氧化硫、二氧化氮會加速石材溶蝕；臭氧具有氧化能力，通過與其他有害氣體的相互作用，對石材產(chǎn)生腐蝕與破壞；大氣顆粒物吸附有害氣體，也會對石材造成腐蝕。上述影響因素會使建筑石材表面失光、褪色、出現(xiàn)斑痕，甚至導(dǎo)致石材的硬度降低和表面風(fēng)化剝落。

2.3 作用機(jī)理

大氣污染物對石材的破壞不僅是單一因素的腐蝕，更多情況下是多種大氣污染物的耦合作用。因此，將大氣污染對石材的劣化機(jī)理歸納為物理、化學(xué)、生物三種作用機(jī)理。

大氣污染對石材最常見的物理破壞是通過強(qiáng)降雨或強(qiáng)風(fēng)輸送空氣中的顆粒物對石材表面造成磨損；其次，還包括顆粒物在石材表面的沉積，甚至造成黑色結(jié)殼。在20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)中許多外立面石材均有此類問題發(fā)生，不僅對石材造成了破壞，還有礙觀瞻。

大氣污染對石材的影響除了大氣顆粒物造成的物理磨損外，化學(xué)反應(yīng)可能是大氣污染對石材劣化的主要推進(jìn)劑。大氣中的酸性氣體會形成酸雨和酸霧，對石材產(chǎn)生腐蝕損傷，使石材疏松，對石材的牢固性產(chǎn)生威脅；大氣中的顆粒物會形成霧霾，霧霾對20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)石材劣化影響頗深，不僅會使石材出現(xiàn)崩裂，還會使石材的化學(xué)成分發(fā)生變化，甚至生成新的礦物質(zhì)，這些都會加速石材的劣化。

石材的生物類病害也與大氣污染物相關(guān)，塵埃是細(xì)菌、霉菌的良好載體，空氣中的塵埃降落在石材表面上，加之潮濕的環(huán)境，可以促進(jìn)微生物繁殖，導(dǎo)致地衣、藻類、藍(lán)藻和真菌等特殊生物體的發(fā)展。這些生物體形成復(fù)雜的微生物基質(zhì)，通過胞外聚合物緊密地附著在石材表面，引發(fā)石材斑痕色變、石材風(fēng)化等病害。

3 大氣污染物侵蝕石材的預(yù)防性保護(hù)措施

針對大氣污染對石材的破壞因素及作用機(jī)理，將預(yù)防性保護(hù)措施分為規(guī)避誘因、監(jiān)測維護(hù)和防止擴(kuò)散三個層面：第一層面的預(yù)防指避免大氣污染物入侵的方法和措施；第二層面的預(yù)防指通過監(jiān)測大氣環(huán)境及建筑本體，使管理者能夠及早察覺不良影響的發(fā)生；第三層面的預(yù)防指為避免大氣污染使得石材病害進(jìn)一步擴(kuò)散或產(chǎn)生新的病害而采取的方法和措施。通過以上三步策略，實現(xiàn)石材的預(yù)防性保護(hù)。

3.1 規(guī)避誘因

定期清理石材表面污染物，預(yù)防病害發(fā)生。大氣顆粒物容易在石材表面沉積，加強(qiáng)對石材的定期清理是最便捷有效和可行的預(yù)防措施。對建筑遺產(chǎn)石材進(jìn)行定期清掃，可以預(yù)防空氣污染物和灰塵的堆積引發(fā)石材變色、結(jié)殼等病害現(xiàn)象，且輕度的灰塵、污染物等都可以從石材表面去除，可借助毛刷等工具清理輕度沉積的污染物質(zhì)，但應(yīng)注意避免劃痕或損傷石材表面。目前周期性清理可能是保護(hù)石材免受大氣污染侵蝕最常用的方法。

選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)劑進(jìn)行預(yù)防保護(hù)。20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)石材受大氣污染的影響，最根本的措施是控制大氣污染，但是不可能使環(huán)境污染立刻得到控制，因此，可以選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)劑涂在石材表面，就如同為其穿上一層特殊的外衣，可以抵御大氣污染物及周圍環(huán)境對其造成污染。建筑遺產(chǎn)石材的防護(hù)劑包括天然石蠟、非滲透性涂料、滲透性有機(jī)硅類、有機(jī)聚合物、納米無機(jī)材料等，不同的防護(hù)材料有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以必須根據(jù)石材類型、石材的結(jié)構(gòu)及保護(hù)要求選擇防護(hù)劑。

3.2 監(jiān)測維護(hù)

進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測。預(yù)防石材病害發(fā)生的一項重要工作是需要對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。大氣環(huán)境監(jiān)測可以通過采集終端設(shè)備實現(xiàn)大氣數(shù)據(jù)信息的采集，再對這些所采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，可利用信息技術(shù)手段把監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)同時發(fā)布到風(fēng)險操作平臺，了解建筑遺產(chǎn)當(dāng)前的風(fēng)險動態(tài)；此外，可利用數(shù)字模擬技術(shù)對將來的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，從而預(yù)判建筑遺產(chǎn)石材可能出現(xiàn)的風(fēng)險，主動采取措施進(jìn)行預(yù)防保護(hù)。

進(jìn)行日常檢查維護(hù)。加強(qiáng)日常檢查、維護(hù)是防止病害積累誘發(fā)重大損壞的預(yù)防性保護(hù)工作。通過日常檢查手段及早發(fā)現(xiàn)大氣污染物的沉積及腐蝕等引發(fā)的早期癥狀，以便及時干預(yù)，預(yù)防病害發(fā)生。相對于病害發(fā)生后的清理工作，日常的檢查維護(hù)更為重要，不能掉以輕心。需要日常檢查維護(hù)的不光是建筑本體，還有周圍的環(huán)境。

3.3 防止擴(kuò)散

清洗有害物質(zhì)。建筑遺產(chǎn)石材表面存在污染物沉積、結(jié)殼、微生物附著等與大氣污染相關(guān)的病害。為防止此類病害的擴(kuò)散或者產(chǎn)生次生病害，需要對其進(jìn)行清洗。污染物性質(zhì)有所區(qū)別，因此清理污染物的方法也有所不同，大致分為物理清洗和化學(xué)清洗。目前較為成熟且常用的清洗技術(shù)有水清洗法、化學(xué)溶劑清洗法、噴砂清洗法以及新興清洗法，新興清洗法包括激光清洗、超聲波清洗、干冰清洗等[9]。每一種清洗方法都有其自身適用性，要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇和應(yīng)用，不可“一刀切”，同時也要避免過度清洗。

加固受損石材。針對風(fēng)化比較嚴(yán)重的建筑遺產(chǎn)石材，可采用加固的方式來恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。目前加固方法包括噴涂法、貼敷法、灌裝法等，加固材料分為無機(jī)加固材料和有機(jī)加固材料[10]。為了不破壞石材原貌，應(yīng)選擇無色透明且不會與石材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的加固劑，加固石材、填補(bǔ)空隙，以此避免大氣污染物繼續(xù)向石材表面之下滲透。

4 案例研究：北京正金銀行舊址石材的預(yù)防性保護(hù)

4.1 正金銀行舊址概況

東郊民巷正金銀行舊址建于1910 年，是由日本建筑師妻木賴黃設(shè)計建造的（圖1），位置處于正義路與東郊民巷交叉口的東北角（圖2）。2001 年正金銀行舊址被列為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，現(xiàn)為中國法院博物館。銀行主體建筑平面呈曲尺形，西立面較長，南立面較短。正金銀行舊址是磚石結(jié)構(gòu)，地上二層，地下一層，轉(zhuǎn)角處是三層弧形塔樓，外立面由紅磚與石材交替砌筑，立面設(shè)計為三段式。由于正金銀行舊址在臺基、壁柱、壁龕、窗套、挑檐、腰線等位置大量運(yùn)用石材，所以以此為例探討石材預(yù)防性保護(hù)措施的應(yīng)用。

4.2 正金銀行舊址病害現(xiàn)狀

北京市大氣污染物總量較大，長期屬于空氣污染相對嚴(yán)重的地區(qū)。北京市主要大氣污染物包括：細(xì)顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）四類，然而，這些都是對石材造成影響的主要污染物。同時，北京地區(qū)春季冷暖空氣活動頻繁，易發(fā)生沙塵暴，對石材造成了一定影響。此外，正金銀行舊址處于城市道路的交叉口，南立面及西立面無院墻遮擋，完全暴露在外，頻繁來往的車輛會使得顆粒物的濃度增加。由此可見，銀行外立面石材的病害大多與大氣污染物有關(guān)。

正金銀行舊址石材的病害主要表現(xiàn)為其立面的石材破損、表面變色、石材泛堿、剝落、溶蝕、污染物沉積、結(jié)殼等（圖3），其中許多部位出現(xiàn)黑色斑痕，且斑痕面積較大，而大氣污染可能是導(dǎo)致石材表面變黑的主要因素。正金銀行大樓的病害主要分布在以下幾個部位：墻腳位置、臺階、墻體轉(zhuǎn)折處、壁龕及窗套、檐口等凹凸明顯的位置，這些部位容易導(dǎo)致污染物的積聚，從而產(chǎn)生病害。

4.3 石材預(yù)防性保護(hù)措施的運(yùn)用

通過上述對正金銀行的概況及病害情況的分析，結(jié)合文中第4 小節(jié)的預(yù)防性保護(hù)措施，可以對其采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

4.3.1 清理及清洗污染物

對于石材表面的輕度污染物，應(yīng)定期進(jìn)行清理，避免長時間積聚對石材造成腐蝕或結(jié)殼等。對于石材上的頑固結(jié)殼、泛堿、黑色斑痕等病害，需要對其進(jìn)行清洗，預(yù)防病害的擴(kuò)散。首先可用目測法判斷正金銀行的石材的污染程度；其次根據(jù)石材特性和其污染程度，調(diào)配不同清洗劑選擇隱蔽部位進(jìn)行小面積清洗實驗，根據(jù)實驗結(jié)果選擇最合適的試劑，必須既能清理污染物，又能不傷害石材；最后選擇合適的清洗方法，確定清洗方案[11]，清洗過程中要保護(hù)好不需要清洗的部位，隨時清理清洗劑殘液。

4.3.2 對石材進(jìn)行養(yǎng)護(hù)

對于石材的養(yǎng)護(hù)也并非越多越好，首先要判斷哪些石材需要養(yǎng)護(hù)，可通過綜合判斷或簡單的實驗測定來確定需要養(yǎng)護(hù)的石材。其次要慎重選擇養(yǎng)護(hù)劑，即便是具有普適性的養(yǎng)護(hù)劑，在不同石材上的使用方法也會有所不同，需要因材制宜[9]。在養(yǎng)護(hù)工作開展之前，也應(yīng)像清洗一樣首先在影響較小的部位進(jìn)行實驗，待養(yǎng)護(hù)結(jié)果得到相關(guān)專家的認(rèn)可后，再全面開展養(yǎng)護(hù)工作。

4.3.3 建立監(jiān)測與日常維護(hù)機(jī)制

由于正金銀行處于道路交叉位置，且無院墻遮擋保護(hù)，對其環(huán)境的監(jiān)測尤為重要，通過監(jiān)測預(yù)判可能產(chǎn)生的病害，提前采取預(yù)防措施；同時要對石材進(jìn)行日常維護(hù)與檢查，發(fā)現(xiàn)病害苗頭及時進(jìn)行預(yù)防控制，清掃周邊污物，防止其沉積到石材表面；維護(hù)綠化環(huán)境，正金銀行南側(cè)及西側(cè)種有樹木，樹木具有凈化污染物的功能，對周邊綠植的維護(hù)在一定程度上也可以預(yù)防大氣污染物對石材的侵蝕。

結(jié)語

大氣污染對20 世紀(jì)建筑遺產(chǎn)石材影響較大，本文通過分析大氣污染物對石材的影響因素及作用機(jī)理，針對大氣污染對石材的破壞從規(guī)避誘因、監(jiān)測維護(hù)和防止擴(kuò)散三個層面提出較為可行的預(yù)防措施，包括：加強(qiáng)對大氣環(huán)境的監(jiān)測及石材日常檢查，同時采用定期清理、清洗、加固、涂抹防護(hù)劑等方法預(yù)防大氣污染對石材的破壞，并通過東郊民巷正金銀行舊址這一實例論述了預(yù)防性保護(hù)措施的應(yīng)用。雖然保護(hù)措施各有千秋，但仍有不足之處，面對大氣環(huán)境的污染現(xiàn)狀，加強(qiáng)大氣污染治理對建筑遺產(chǎn)的保護(hù)至關(guān)重要，也是根本措施，確保最大限度地從大氣污染這一源頭上減少其對于建筑遺產(chǎn)石材的破壞。