大型飽水木構(gòu)件木屑干燥方法探索

摘 要：飽水木構(gòu)件干燥方法是飽水木構(gòu)件文物保護的重要問題。本研究采用木屑覆蓋自然干燥方法輔以PEG加固方法對杭州海塘（臨平段）遺址出土沉船木構(gòu)件進行脫水干燥，從而對大型飽水木構(gòu)件干燥方法探索。結(jié)果顯示木屑干燥在270日后完成；經(jīng)PEG加固后，木材強度得到提高，在脫水后無明顯形變。二者相結(jié)合，對自然干燥過程中木構(gòu)件的強度進行了保護，為大型飽水木構(gòu)件脫水干燥提供了參考。

關(guān)鍵詞：脫水干燥；沉船

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.03.008

0 引言

沉船作為水下考古的重要研究對象，其出水后就會受到溫濕度、光照輻射、微生物、無機鹽等環(huán)境因素的影響①。為保證文物短期安全，常將其置于與未發(fā)掘前類似的環(huán)境中，即飽水環(huán)境下保存。飽水狀態(tài)下的木質(zhì)文物劣化速度放緩，但不利于長期保存②。為滿足保護、研究、展示的需要，沉船類木質(zhì)文物需要在脫水的基礎(chǔ)上進一步保護修復，從而獲得更高的強度與耐性，有效防止環(huán)境因素對其的損害。

杭州海塘（臨平段）遺址位于杭州市臨平區(qū)牛角村，史料記載此區(qū)域內(nèi)曾沉船34艘，目前考古發(fā)掘清理出上部兩層船體6艘（圖1）。該批沉船部件較為完整，可進行形制復原。但沉船整體為飽水狀態(tài)，強度較低，存在糟朽、殘缺、斷裂等病害。為保障文物安全，計劃將沉船發(fā)掘后進行脫水干燥處理，以備后期的復原工作。

飽水考古木材干燥處理過程涉及復雜的物質(zhì)傳遞，并伴隨應(yīng)力-應(yīng)變的不斷變化③。根據(jù)木質(zhì)文物的尺寸、保存狀況、加固材料使用情況等因素，可選擇物理處理法、化學處理法、生物質(zhì)材料修復法等進行脫水干燥，其中自然干燥、PEG加固干燥、冷凍干燥和超臨界流體干燥等方法為常用方法④?？紤]到沉船的體積、質(zhì)量、保存時間等實際保存情況，本次采用木屑作為介質(zhì)進行干燥，同時對于含水率大于400%的木材進行PEG加固脫水輔助干燥。監(jiān)測干燥過程中考古木材水分的分布變化，可以預測木質(zhì)文物的干燥速度，有助于及時調(diào)整干燥工藝。

1 樣品與方法

1.1 樣品概況

杭州海塘（臨平段）遺址的沉船木構(gòu)件（圖2）大部分保存狀態(tài)良好，部分發(fā)生了一定程度的病害。如不同程度的殘缺、斷裂、裂隙、變色等病害，部分構(gòu)件上還有表面硬結(jié)物和微生物等污染物。針對沉船木構(gòu)件的病害，對木構(gòu)件表面進行清理、脫鹽處理后再進行脫水干燥處理。

對于海洋出水木質(zhì)文物，由于其含鹽量較高，在干燥前需要進行脫鹽處理，否則會產(chǎn)生木材結(jié)構(gòu)損壞、吸濕性增大等問題⑤。沉船所處的古海塘，位于咸水、淡水的交界區(qū)域，其可溶鹽含量難以預測。對沉船木構(gòu)件進行脫鹽處理時，可使用電導率儀進行監(jiān)測，待脫鹽溶液的電導率穩(wěn)定不再發(fā)生劇烈變動時，脫水干燥的前期處理就完成了。

1.2 方法

1.2.1 方法介紹

本次采用木屑覆蓋自然干燥以及PEG加固輔助干燥兩種方式。

木屑覆蓋自然干燥法與自然干燥類似，都是通過改變環(huán)境溫度和濕度，使飽水考古木材中的水分被緩慢脫除。自然干燥方法適用于各種尺寸的木質(zhì)文物，并且可以保留文物的原始信息。采用木屑作為干燥介質(zhì)，其效果位于自然干燥方法與沙埋法之間，將干燥速率限制在一定區(qū)間內(nèi)，防止木構(gòu)件因干燥應(yīng)力產(chǎn)生較大的形變，同時保障了沉船整體的脫水時間。木屑作為介質(zhì)在干燥環(huán)境與沉船間作為緩沖，能夠保障干燥過程相對穩(wěn)定。

PEG被廣泛用于飽水考古木材的填充加固⑥。高分子量PEG適用于重度降解的木材，但無法滲透至木材微孔結(jié)構(gòu)中；低分子量PEG雖然易滲透至木材組織內(nèi)，但吸濕性強⑦。經(jīng)PEG加固后的木材結(jié)構(gòu)強度提高，同時脫水干燥時的收縮率較小，在一定條件下能達到不錯的效果。但PEG法處理時間長，需數(shù)月至數(shù)年，長期使用過程中會降解成酸性副產(chǎn)物，尤其在鐵元素存在的情況下，對木材本體產(chǎn)生較大損害；若外部濕度較高，PEG可能因為吸濕對木材造成損傷，如使木材表面開裂，在木材內(nèi)部含有可溶鹽的情況下造成深層損傷⑧。

目前有部分沉船采用自然干燥與PEG處理相結(jié)合的方式進行脫水干燥，在干燥初期，形變較大；隨著干燥達到平衡，位移明顯放緩，最終達到理想的干燥效果⑨。本次使用木屑覆蓋改善自然干燥方法，同時使用PEG加固輔助干燥，預期改善自然干燥初期的形變問題。

1.2.2 脫水干燥實施

一般情況下，通過自然干燥的考古木材的體積干縮率較高，孔隙率較低，木材細胞壁中自由羥基數(shù)量減少⑩，為保證木構(gòu)件整體干縮情況，選用夾板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件對含水率較高的大型木構(gòu)件進行定型，后續(xù)定期觀察木構(gòu)件表面脫水干燥狀況及監(jiān)測含水率。

由于受到材料自身特性和降解因素影響，飽水考古木材在脫水干燥過程中易發(fā)生不同程度的干縮變形、翹曲開裂。為減小木質(zhì)文物的形態(tài)變化，保存狀況較差的木質(zhì)文物須采用加固材料進行填充加固處理，方可開展干燥處理k。

大部分樹種木構(gòu)件含水率變化與其降解程度成正比，與其整體密度成反比，關(guān)鍵在于由于降解產(chǎn)生的孔隙被水分填充。因此可通過木構(gòu)件含水率判斷其降解程度，當最大含水率超過400%、基本密度小于健康木材的40%時，判定該考古木材為重度降解。Richard M.Christensen曾對木材降解程度有過評估，通過其含水率情況對其降解情況進行分級，其劃分標準為：含水率超過400%，為Ⅰ度降解；含水率為185%～400%，為Ⅱ度降解；含水率低于185%，為Ⅲ度降解l。

本研究脫水干燥前對樣品含水率進行測試，后續(xù)沉船脫水干燥過程中應(yīng)根據(jù)沉船含水率及本體保存狀況選擇脫水干燥方式。沉船整體脫水前進行木構(gòu)件實驗，實驗結(jié)果顯示木屑干燥法在脫水干燥之初速率較快，之后干燥速率放緩。木屑干燥木材干縮率變化較小，表面裂隙、形變較小，可作為沉船木構(gòu)件脫水干燥方法。

針對保存狀況較好且含水率低的木構(gòu)件采用自然干燥或木屑覆蓋自然干燥的方式進行脫水干燥；針對保存狀況較差且含水率較高的木構(gòu)件采用PEG復合溶液滲透置換法及木屑覆蓋自然干燥法結(jié)合的方式進行脫水干燥。在干燥過程中應(yīng)根據(jù)含水率遞減頻率選擇合適的監(jiān)測方式對木構(gòu)件進行監(jiān)測，同時應(yīng)在前期增加對木構(gòu)件的監(jiān)測次數(shù)。對于含水率較高的木構(gòu)件后續(xù)在采用木屑覆蓋干燥過程中應(yīng)采用夾具進行固定，防止木構(gòu)件在干燥過程中變形。

具體操作過程如下：

（1）木屑覆蓋自然干燥法。

①選用夾板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件對含水率較高的大型木構(gòu)件進行定型（圖3），后續(xù)定期觀察木構(gòu)件表面脫水干燥狀況并監(jiān)測含水率。

②將沉船木構(gòu)件深埋于經(jīng)防腐殺菌后干燥的木屑中，覆蓋深度8～10 cm，置陰涼干燥處。木屑中含有微生物、蟲等有害生物，需經(jīng)高溫消殺后方能使用，使用前還需噴淋防腐劑進行木構(gòu)件的防腐處理。

③對保存環(huán)境及木屑濕度進行監(jiān)測，每隔一月更換木屑并噴淋防腐劑（圖4），同時監(jiān)測木構(gòu)件含水率及微生物數(shù)量變化，控制干燥速率。

④待脫水干燥工作結(jié)束后，將沉船木構(gòu)件從木屑中取出，妥善保存并檢測木構(gòu)件的變化情況。

（2）PEG復合溶液滲透置換輔助緩慢自然干燥法。

①配制PEG2000溶液，起始濃度為20%；另加入0.5%硼砂和硼酸（質(zhì)量比為3∶7）作為滅菌劑，以防止水分過速揮發(fā)及木質(zhì)構(gòu)件長霉。

②用比重計測試浸泡液比重值，連續(xù)三次測量比重穩(wěn)定更換浸泡液，當滲透充分后，使用40%的PEG2000溶液進行脫水加固。

③滲透充分后再使用20%的PEG4000浸泡液浸泡；測量比重值，連續(xù)三次測量比重穩(wěn)定更換浸泡液，使用40%的PEG4000溶液進行脫水加固；另加入0.5%硼砂和硼酸（質(zhì)量比為3∶7）作為滅菌劑，以防止水分過速揮發(fā)及木質(zhì)構(gòu)件長霉。

④待木構(gòu)件含水率降至400%以下，取出器物，采用木屑覆蓋自然干燥法至脫水干燥完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果

對沉船木構(gòu)件進行含水率監(jiān)測，其含水率范圍為128.3%～491.7%，其中有10件含水率大于400%（圖5），對于這部分木構(gòu)件采用PEG復合溶液滲透置換輔助木屑覆蓋自然干燥法進行脫水干燥。

每隔30日對沉船木構(gòu)件重量變化、木材防腐情況及整體保存狀態(tài)進行記錄，監(jiān)測木構(gòu)件的干燥效率。木屑覆蓋法木構(gòu)件重量變化及微生物數(shù)量監(jiān)測如圖6～圖9所示。在每個脫水槽中，根據(jù)前期所測含水率數(shù)據(jù)，選擇6根不同含水率的木構(gòu)件進行監(jiān)測。本次脫水木構(gòu)件原重量范圍在1.4～41.9 kg，微生物檢測數(shù)值均小于200，滿足文物日常保護的需求，后續(xù)隨更換木屑每月檢測木構(gòu)件含水率及微生物變化情況，合理控制干燥速率。

通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大部分木構(gòu)件干燥速率變化與實驗相似，前期干燥速率較大，于90日內(nèi)基本完成大部分的脫水干燥，其后速度放緩?？傆嫺稍?70日后，木構(gòu)件基本完成脫水干燥。木構(gòu)件重量減輕，對照各木材含水率表，含水率越大其重量縮減越大，證明脫水干燥的有效性。

此外還有部分木構(gòu)件重量變化情況與實驗不一致。如脫水槽3內(nèi)船4-B-144在木屑自然干燥初期重量有一定的增加。船4-B-144含水率為128.31%，是船4脫水木構(gòu)件中含水率最小的，相較于脫水槽內(nèi)其他木構(gòu)件較低，故其脫水速率受到了脫水槽整體的影響，后期速率與其他木材保持一致。經(jīng)監(jiān)測后對脫水槽整體進行調(diào)整，其后脫水速率回歸正常。

三個脫水槽內(nèi)木屑干燥重量變化整體趨勢所示，干燥速率在前期較大，后期減緩。大部分樣品于270日后基本完成脫水干燥，僅小部分含水率較大的樣品還存在部分變化。

對含水率400%以上的木構(gòu)件采用PEG2000溶液置換。配制PEG2000溶液，起始濃度為20%；另加入0.5%硼砂和硼酸（質(zhì)量比為3∶7）作為滅菌劑，以防止水分過速揮發(fā)及木質(zhì)構(gòu)件長霉。在PEG加固脫水的同時監(jiān)測PEG比重變化，確保PEG溶液的濃度，保證木構(gòu)件的脫水加固效率。PEG加固持續(xù)90天，后續(xù)換至木屑覆蓋脫水干燥。

通過其重量變化可看出，在PEG加固后換至木屑覆蓋脫水干燥，其干燥速率與其他木屑干燥木構(gòu)件變化趨勢一致，在270日后基本完成脫水干燥，與木屑覆蓋脫水干燥木構(gòu)件保持一致。由于其含水率較高，前期脫水干燥變化速率也較快。脫水完成后木構(gòu)件整體未產(chǎn)生較大形變，可進行形制復原。

2.2 討論

對于大型木構(gòu)件的脫水加固一直存在問題，受其體積、重量、數(shù)量等要素的局限，往往需要較高的成本才能完成其脫水加固工作。一般認為，物理脫水方法包括自然干燥法、冷凍干燥法、超臨界干燥法等不對脫水對象添加化學材料，在介質(zhì)上消除了化學反應(yīng)產(chǎn)生的途徑，避免了潛在危害的產(chǎn)生m。因此為保障文物安全，常以物理干燥法作為大型木構(gòu)件的主要脫水方法。其中冷凍干燥法、超臨界干燥法脫水效果較好，脫水裝置設(shè)備和工藝有過多次改良，但其成本及架設(shè)條件較高，使用情形較為局限，在腔體容量、加固劑使用量、成本和運行能耗方面還存在較大的問題，因此尚未大規(guī)模推廣n。

而自然干燥法作為較為穩(wěn)定的脫水方法，在脫水速率上有一定的優(yōu)勢，但其在脫水過程中對木構(gòu)件本體的保護較弱，可能造成孔隙率、木質(zhì)開裂、纖維劣化等問題o。為此需要對自然干燥法進行改進，因此本研究采用木屑作為介質(zhì)對木構(gòu)件進行脫水干燥。經(jīng)過處理的木屑與木構(gòu)件不會發(fā)生反應(yīng)，不會帶來新的可溶鹽、霉菌等污染物，且脫水速率得到了一定的保證，干燥過程中水分遷移與形態(tài)干縮都在一定的范圍內(nèi)。且木屑作為最接近木構(gòu)件材質(zhì)的脫水材料，對木材結(jié)構(gòu)與其滲透性影響較小，能夠為自然干燥方法進行補充。

在實際的脫水干燥過程中，沉船木構(gòu)件受到環(huán)境因素的影響較大。溫濕度的變化會影響到木屑，進而對脫水木構(gòu)件產(chǎn)生影響。因此在脫水工藝實地操作的過程中，要確保環(huán)境監(jiān)測，保障木構(gòu)件在穩(wěn)定的條件中完成脫水干燥。

此外PEG盡管在長期有較大的問題，但在短期內(nèi)對木構(gòu)件的加固效果十分顯著。木構(gòu)件儲存在細胞壁結(jié)構(gòu)中的水分被去除后產(chǎn)生了孔隙，其質(zhì)量下降，強度降低。而PEG通過置換填補了細胞壁中水分的位置，在保持細胞結(jié)構(gòu)的同時加固了木材p。PEG脫水加固材料設(shè)備架設(shè)較為便利，同時處理后的木構(gòu)件從結(jié)構(gòu)、強度、尺寸變化等方面都達到了文物保護修復的需求，原本所詬病的木材吸濕性能也隨木構(gòu)件內(nèi)部PEG分子量增大而降低q，因此可以在木屑干燥脫水的環(huán)境內(nèi)架設(shè)，作為木屑干燥的補充手段。

從脫水干燥的實驗數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，木屑干燥在270日后基本完成，相較于其他干燥方法脫水干燥速率較快。同時脫水過程較為穩(wěn)定，整體趨勢一致，對于大批量的脫水干燥工作而言，是一種有效的管理手段。PEG加固后含水率較高的木構(gòu)件強度增加，在脫水干燥過程中未產(chǎn)生較大的形變，脫水干燥速率與未經(jīng)處理的木構(gòu)件保持一致。

3 結(jié)論

本次通過對海塘沉船木構(gòu)件的脫水干燥工作，得出以下結(jié)論：

①木屑覆蓋自然干燥法輔以PEG加固法能夠針對大批量、大體積的沉船木構(gòu)件進行脫水干燥，干燥后的沉船木構(gòu)件變化較小，硬度較高，足夠支撐后期的形制復原工作。

②木屑干燥在270日后基本完成，經(jīng)PEG加固后，木材強度得到提高，在脫水后無明顯形變。二者相結(jié)合，對自然干燥過程中木構(gòu)件的強度進行了保護，為大型飽水木構(gòu)件脫水干燥提供了參考。

③木屑覆蓋自然干燥法輔以PEG加固法在成本、時間、損耗上具有優(yōu)勢，為大規(guī)模木構(gòu)件的脫水干燥提供了參考。

注釋

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