嘉峪關(guān)魏晉墓青磚滲透加固工藝

摘 要：嘉峪關(guān)魏晉墓作為中國西北地區(qū)磚構(gòu)墓葬的典型代表，其青磚結(jié)構(gòu)的保存狀況直接關(guān)系到文化遺產(chǎn)的完整性和歷史價(jià)值。文章針對(duì)嘉峪關(guān)魏晉墓青磚的保存現(xiàn)狀，提出了一套科學(xué)的滲透加固工藝。該工藝主要包括青磚表面的預(yù)處理、滲透加固材料的選擇與制備以及具體的施工操作步驟。通過這些步驟，旨在有效提高青磚的耐久性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命，為文化遺產(chǎn)的保護(hù)提供技術(shù)支持。研究結(jié)果表明，經(jīng)過滲透加固處理的青磚，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力均得到了明顯提升，為類似文物的保護(hù)提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：青磚；滲透加固；工藝

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.14.033

嘉峪關(guān)魏晉墓考古資料顯示，已清理發(fā)掘的18座古墓葬都是由長(zhǎng)方形青磚錯(cuò)縫干壘構(gòu)建的，磚塊之間未使用任何黏合劑。由于青磚自身缺陷及環(huán)境因素與人為活動(dòng)的長(zhǎng)期影響，目前對(duì)外開放的六號(hào)墓和做研究監(jiān)測(cè)用途的七號(hào)墓的部分青磚出現(xiàn)了裂隙、酥堿、微生物侵蝕等病害，對(duì)墓室的穩(wěn)定性構(gòu)成了威脅。因此，為了確保墓室結(jié)構(gòu)的完整性和安全，對(duì)這些病害進(jìn)行及時(shí)有效的處理顯得尤為重要。本文將詳細(xì)探討青磚病害的類型與成因，并提出相應(yīng)的滲透加固工藝原理和材料選擇。通過分析青磚的礦物組成和物理特性，結(jié)合化學(xué)和物理原理，制訂出一套科學(xué)合理的滲透加固方案。該方案不僅能夠改善青磚的耐候性，還能增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而為嘉峪關(guān)魏晉墓的長(zhǎng)期保護(hù)和研究提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

本工藝應(yīng)用對(duì)象為無彩繪的素面青磚。

1 嘉峪關(guān)魏晉墓青磚材料特性分析

1.1 青磚的礦物組成

嘉峪關(guān)魏晉墓青磚主要的礦物組成為：石英、方解石、石膏和少量長(zhǎng)石礦①。青磚的化學(xué)成分分析顯示：石英含量較高，這表明青磚具有良好的耐火性和耐磨性；方解石的存在則說明青磚在制作過程中可能添加了碳酸鈣，這有助于提高磚體的密實(shí)度；石膏的加入可能與磚體的成型工藝有關(guān)，它有助于磚體在燒制過程中形成均勻的結(jié)構(gòu)；長(zhǎng)石礦的少量存在則可能對(duì)青磚的熱膨脹系數(shù)和抗壓強(qiáng)度有所貢獻(xiàn)。對(duì)這些礦物成分的綜合分析，為后續(xù)青磚滲透加固材料的選擇和制備提供了科學(xué)依據(jù)。

1.2 青磚的物理特性

青磚作為嘉峪關(guān)魏晉墓的重要建筑材料，其物理特性對(duì)于墓葬的保存具有決定性影響。其密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度等物理指標(biāo)，直接關(guān)系到滲透加固工藝的可行性和加固效果的持久性。研究表明，魏晉墓青磚（樣品）的密度約為1.73 g/cm3，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為8.42 MPa，超聲波縱波波速為1400～1500 m/s，吸水率為15.21%，孔隙率為30.95%，微觀形貌為片層狀②。較高的孔隙率使青磚在潮濕環(huán)境中容易吸水膨脹，導(dǎo)致裂紋和酥堿現(xiàn)象的發(fā)生。其抗壓強(qiáng)度雖然滿足一般建筑需求，但相對(duì)于其他類型的磚石材料，其強(qiáng)度較低，游客參觀時(shí)的輕微觸碰可能損害磚體表面。青磚的超聲波縱波波速反映了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性，波速的高低與青磚的密實(shí)度和內(nèi)部缺陷有關(guān)。微觀形貌的片層狀結(jié)構(gòu)表明青磚在微觀尺度上存在一定的層間弱界面，這可能是導(dǎo)致青磚在長(zhǎng)期使用過程中出現(xiàn)剝落和斷裂的原因之一。

2 青磚病害類型與成因

2.1 裂紋

裂紋是青磚結(jié)構(gòu)中最常見的病害之一，指骨磚表面出現(xiàn)的具有一定長(zhǎng)變、寬變或深度的線性開裂現(xiàn)象。其形成原因復(fù)雜多樣。自然老化、溫度變化、濕度波動(dòng)、土壤壓力以及人為破壞等因素都可能導(dǎo)致青磚出現(xiàn)裂紋。裂紋不僅影響青磚的外觀，還可能進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降，增加青磚的破損風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 剝落

剝落是指青磚表面的材料逐漸脫落的現(xiàn)象。剝落的產(chǎn)生通常與青磚的制作工藝、原材料質(zhì)量以及外界環(huán)境因素有關(guān)。例如，青磚在燒制過程中若溫度控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致磚體內(nèi)部應(yīng)力不均，從而在使用過程中出現(xiàn)剝落。此外，酸雨、鹽類結(jié)晶等化學(xué)侵蝕也會(huì)加速剝落過程。

2.3 斷裂

斷裂是指青磚因承受過大的外力或內(nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生的完全或部分分離。斷裂的青磚失去了原有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)墓室的坍塌。斷裂的成因可能包括青磚本身的質(zhì)量問題、長(zhǎng)期的物理磨損及地震等自然災(zāi)害，以及不當(dāng)?shù)氖褂煤途S護(hù)。

2.4 酥堿

酥堿是指青磚表面或內(nèi)部的堿性物質(zhì)在外界環(huán)境作用下，逐漸溶解并析出的現(xiàn)象。酥堿不僅影響青磚的外觀，還會(huì)導(dǎo)致青磚表面變得粗糙，降低其耐久性。酥堿的形成與青磚的原材料、燒制工藝以及所處的環(huán)境條件密切相關(guān)。例如，青磚中含有的可溶性鹽類在潮濕條件下溶解，隨著水分蒸發(fā)，鹽類結(jié)晶在磚表面或內(nèi)部形成，反復(fù)的溶解和結(jié)晶過程會(huì)逐漸破壞青磚的結(jié)構(gòu)。

2.5 微生物侵蝕

微生物侵蝕是指細(xì)菌、真菌等微生物在青磚表面或內(nèi)部生長(zhǎng)繁殖，導(dǎo)致青磚結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。微生物的生長(zhǎng)需要適宜的溫度、濕度和營養(yǎng)物質(zhì)，而青磚的多孔結(jié)構(gòu)恰好為微生物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境。微生物侵蝕不僅會(huì)改變青磚的顏色和質(zhì)感，還可能通過生物化學(xué)作用破壞青磚的成分，加速青磚的劣化過程。

3 青磚滲透加固工藝原理

3.1 化學(xué)原理

滲透加固技術(shù)主要依賴于化學(xué)反應(yīng)，通過特定的化學(xué)物質(zhì)與青磚內(nèi)部的成分發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到加固的目的。例如，使用功能化石墨烯增強(qiáng)有機(jī)硅復(fù)合乳液作為滲透劑，這種復(fù)合乳液能夠與青磚中的硅酸鹽和鋁酸鹽成分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了青磚的機(jī)械強(qiáng)度，還提高了其耐水性和抗風(fēng)化能力。通過化學(xué)反應(yīng)，滲透劑中的功能化石墨烯納米片能夠均勻地分布在青磚的微孔中，從而有效填補(bǔ)了青磚內(nèi)部的微裂紋和孔隙，進(jìn)一步提升了青磚的整體性能。

3.2 物理原理

在嘉峪關(guān)魏晉墓青磚的滲透加固工藝中，物理原理的應(yīng)用是確保加固效果的關(guān)鍵。滲透加固技術(shù)主要依賴于毛細(xì)作用和擴(kuò)散作用，使加固材料能夠深入青磚內(nèi)部，與磚體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，從而提高其強(qiáng)度和耐久性。例如，通過毛細(xì)管作用，加固劑可以被引導(dǎo)進(jìn)入青磚的微小孔隙中，填充并加固這些微結(jié)構(gòu)。

4 青磚滲透加固材料選擇與制備

4.1 材料選擇

安立紅、喬榛等人通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了功能化石墨烯增強(qiáng)有機(jī)硅F-G@IBTS復(fù)合乳液在嘉峪關(guān)魏晉墓青磚滲透加固實(shí)驗(yàn)中的良好性能。研究結(jié)果表明，經(jīng)F-G@IBTS復(fù)合乳液處理后的青磚表面接觸角顯著提升，從處理前的16.08 °增加至處理后的145.12 °，同時(shí)吸水率大幅下降，從18.69%降至1.89%。該復(fù)合乳液能深入青磚內(nèi)部，形成厚度達(dá)2.48 mm的堅(jiān)固保護(hù)層。此外，該材料展現(xiàn)出卓越的耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性，有效抵御了水分和鹽分的侵蝕，從而顯著延長(zhǎng)了青磚的使用壽命?；诖?，本研究選取功能化石墨烯增強(qiáng)有機(jī)硅F-G@IBTS復(fù)合乳液作為嘉峪關(guān)魏晉墓青磚滲透加固工藝研究的關(guān)鍵材料。

4.2 材料制備

①功能化石墨烯制備。

使用硅烷偶聯(lián)劑γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）對(duì)石墨烯納米片進(jìn)行表面功能化改性。取1.0 g的石墨烯納米片分散在水-乙醇混合溶液中（150 mL/150 mL），超聲分散30 min后得到分散液A備用；取1.0 g的KH570分散在水-乙醇混合溶液中并進(jìn)行攪拌，使稀鹽酸（0.1 mol/L）調(diào)節(jié)混合液pH至4.0左右，繼續(xù)攪拌90 min得到分散液B；將分散液A和分散液B混合，在60 ℃條件下磁力攪拌360 min后抽濾得到功能化石墨烯納米片（Functionalized-Graphene，F(xiàn)-G）③。

②功能化石墨烯增強(qiáng)有機(jī)硅材料制備。

以異丁基三乙氧基硅烷（IBTS）為基材，制備的功能化石墨烯納米片為填料，按照mF-G∶mIBTS=0.1∶100進(jìn)行混合，混合后使用高速乳化機(jī)持續(xù)攪拌15 min得到功能化石墨烯增強(qiáng)有機(jī)硅F-G@IBTS復(fù)合乳液④。

5 青磚滲透加固施工工藝

5.1 施工準(zhǔn)備

在施工準(zhǔn)備階段，首要任務(wù)是進(jìn)行詳盡的現(xiàn)場(chǎng)勘查與數(shù)據(jù)收集。通過精確測(cè)量墓室的尺寸、青磚的排列方式及破損狀況，確保后續(xù)工作的精準(zhǔn)性。同時(shí)，依據(jù)《文物保護(hù)工程管理辦法》及國內(nèi)外相關(guān)成功案例，制訂詳盡的施工計(jì)劃與安全預(yù)案。借鑒敦煌莫高窟壁畫修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)，要特別注重施工過程中的環(huán)境控制，確保溫濕度、光照等條件符合青磚保護(hù)要求，避免二次損害。在施工材料準(zhǔn)備方面，嚴(yán)格篩選符合青磚保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的清潔劑、加固劑及防護(hù)材料。特別是針對(duì)青磚文物的特殊材質(zhì)，采用低毒性、高滲透性的環(huán)保型材料，以減少對(duì)青磚文物的潛在影響。為確保材料質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)行多輪次的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確保其在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性和有效性。此外，還應(yīng)組建由文物保護(hù)專家、工程師及技術(shù)人員組成的專業(yè)施工團(tuán)隊(duì)，提前準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)施工所必需的儀器、設(shè)備。

5.2 青磚表面預(yù)處理

青磚表面可能附著鹽類結(jié)晶、浮塵、松散層及生物病害，這些污染物不僅影響青磚的外觀美感，還對(duì)滲透加固效果有較大不利影響。因此，在加固處理前，必須徹底清除這些污染物。

①鹽類結(jié)晶處理工藝流程。

“杜邦刷+去離子水清理”→檸檬酸清理→熱蒸汽清理。第一步，利用杜邦刷配合去離子水進(jìn)行初步清理，清理前需對(duì)處理區(qū)域邊界進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)，以防止清理過程中產(chǎn)生的污水和泥漬對(duì)未處理區(qū)域造成污染。去離子水的使用應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，確保其電阻率大于0.5 MΩ·cm，從而控制水中可溶性離子的含量，避免在操作過程中引入額外的可溶性離子。第二步，采用10wt%的檸檬酸溶液進(jìn)行清洗，通過涂刷法將溶液均勻涂抹于污染物表面，并使用保鮮膜包裹以確保溶液與污染物充分接觸，反應(yīng)30 min后去除保鮮膜，并使用毛刷對(duì)污染物進(jìn)行徹底清洗。第三步，執(zhí)行熱蒸汽清理步驟，根據(jù)基材的實(shí)際溫度調(diào)節(jié)蒸汽溫度至約40 ℃，調(diào)整蒸汽清洗機(jī)噴頭的噴射面積至試驗(yàn)區(qū)面積的一半左右，噴射角度可以控制在60～90 °，調(diào)整操作距離控制在15～20 cm。清洗作業(yè)應(yīng)從試驗(yàn)區(qū)中心開始，向外呈圓形擴(kuò)展，確保蒸汽與基材表面充分接觸。清洗時(shí)間和溫度應(yīng)根據(jù)實(shí)際清洗效果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免過度清洗。

②浮塵處理。

毛刷→真空吸塵器→去離子水清理。第一步，使用柔軟的毛刷（如羊毛刷）輕輕刷去青磚表面明顯的、大塊的浮塵和雜物。清掃時(shí)應(yīng)順著一個(gè)方向進(jìn)行，避免過度用力損害青磚表面。第二步，采用小型的便攜式真空吸塵器，配備軟質(zhì)吸頭，將吸頭貼近青磚表面，緩慢移動(dòng)，吸除較細(xì)小的灰塵。第三步，準(zhǔn)備干凈、柔軟且不掉毛的棉布或無紡布，用去離子水輕微濕潤布料后輕輕擦拭青磚表面，進(jìn)一步去除殘留的浮塵，注意不要讓水分過多地滲透到青磚內(nèi)部。完成擦拭后，使用干燥、柔軟的布輕輕吸干青磚表面的水分。待青磚表面完全干燥后，再次仔細(xì)檢查是否還有殘留的浮塵。如有必要，可重復(fù)上述步驟進(jìn)行進(jìn)一步的清理。

③松散層處理。

軟毛刷+真空吸塵器→熱蒸汽處理→人工剔除→軟毛刷清理。第一步，初步清潔。使用軟毛刷或吸塵器輕輕清除青磚表面的灰塵和雜物，避免使用強(qiáng)力的吹掃或吸塵設(shè)備，以防對(duì)青磚造成損害。第二步，軟化松散層。進(jìn)行熱蒸汽清理，調(diào)節(jié)蒸汽溫度，控制在40 ℃左右，調(diào)整蒸汽清洗機(jī)噴頭噴射面積至試驗(yàn)區(qū)面積1/2左右，噴射角度可以控制在60～90 °，調(diào)整操作距離控制在15～20 cm，由正中間成圓開始清洗、依次向試驗(yàn)區(qū)外圍移動(dòng)、保證蒸汽與基體有充分的接觸面，清洗時(shí)間及溫度依實(shí)際清洗效果調(diào)整，禁止過度清洗。第三步，剔除松散層。使用小型、鋒利且適宜的工具，如刮刀、鑷子或小型鑿子等。操作時(shí)要極其小心，盡量沿著青磚的紋理方向進(jìn)行，避免對(duì)青磚本體造成過多的損害。第四步，再次清潔。剔除松散層后，再次使用軟毛刷和吸塵器清理表面殘留的碎屑。

④生物病害處理。

簡(jiǎn)單毛刷清理→“杜邦刷+去離子水清理”→熱蒸汽清理。第一步，用棉簽蘸取少量的去離子水或水和酒精比為1∶1的溶液慢慢清除，過程中可采用小型吸塵器配合毛刷清除表面疏松的粉塵覆蓋物。第二步，進(jìn)行“杜邦刷+去離子水清理”，操作前應(yīng)對(duì)區(qū)域的邊界進(jìn)行保護(hù)，避免清理過程中產(chǎn)生的污水泥漬對(duì)未處理區(qū)域造成污染。去離子水應(yīng)嚴(yán)格遵照相關(guān)操作規(guī)程要求（電阻率＞0.5 MΩ·cm），控制水中各類可溶性離子含量，避免操作過程中引入更多的可溶性離子。第三步，進(jìn)行熱蒸汽清理，依據(jù)基材實(shí)際溫度調(diào)節(jié)蒸汽溫度，控制在40 ℃左右，調(diào)整蒸汽清洗機(jī)噴頭噴射面積至試驗(yàn)區(qū)面積1/2左右，噴射角度可控制在60～90 °，調(diào)整操作距離控制在15～20 cm，由正中間成圓開始清洗、依次向試驗(yàn)區(qū)外圍移動(dòng)、保證蒸汽與基體有充分的接觸面，清洗時(shí)間及度依實(shí)際清洗效果調(diào)整，禁止過度清洗。

5.3 滲透加固施工

第一步，對(duì)需要加固的青磚表面進(jìn)行徹底清潔，使用美術(shù)刷和無塵布對(duì)所有待加固區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的清潔，過程中必須小心操作，以免對(duì)青磚本身造成損害。第二步，執(zhí)行滲透加固程序，取用事先搖勻的石墨烯增強(qiáng)型有機(jī)硅F-G@IBTS復(fù)合乳液，利用噴壺將加固劑均勻噴灑在青磚表面，確保涂覆區(qū)域連續(xù)噴灑，讓青磚充分吸收加固材料。在整個(gè)加固過程中，必須維持青磚表面保護(hù)材料的濃度，避免在保護(hù)結(jié)束前出現(xiàn)干燥區(qū)域。當(dāng)表面加固液達(dá)到飽和狀態(tài)后，即完成了加固步驟，未滲透的液體需用吸水紙或脫脂棉清除，確保青磚表面無殘留液體。為了確保涂層的緊密性，需要重復(fù)涂覆3～5次。第三步，進(jìn)行涂層致密性檢測(cè)，利用顯微鏡和卡斯滕瓶檢查涂層的致密性，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)刷處理。

6 效果評(píng)估

為全面評(píng)價(jià)滲透加固工藝的效果，需從多維度進(jìn)行綜合分析。首先，進(jìn)行外觀對(duì)比分析。通過對(duì)比加固前后的青磚樣品，可直觀觀察加固材料對(duì)青磚外觀的影響。外觀評(píng)估應(yīng)包括青磚表面色澤、紋理的歷史風(fēng)貌保持情況，以及加固劑的均勻性。其次，進(jìn)行檢測(cè)分析。利用顯微鏡觀察青磚表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，可直觀了解加固劑是否成功滲透并填補(bǔ)微裂紋和孔隙。采用卡斯滕瓶測(cè)試評(píng)估涂層的致密性，確保無明顯缺陷。通過測(cè)定青磚表面接觸角的變化，評(píng)估其疏水性能的提升。測(cè)定吸水率有助于了解青磚的防水性能改善情況。為評(píng)估加固材料的耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性，將加固后的青磚樣品置于模擬自然環(huán)境的加速老化試驗(yàn)中，觀察其在不同條件下的性能變化。最后，進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)。這包括定期檢查青磚的表面狀況、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及新病害的出現(xiàn)。通過收集和分析這些數(shù)據(jù)，可對(duì)加固工藝的持久性和可靠性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

注釋

①②Lihong An，Zhen Qiao，Jie Wang，et al.Experimental study on weathering mechanism of ancient bricks in Jiayuguan Wei-Jin tombs，Gansu，China[J].Heritage Science，2024，12（1）：114.

③④安立紅，喬榛，王捷，等.古青磚滲透加固材料試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2024，51（8）：38-43，56.