1 石質(zhì)文物建筑病害的相關(guān)研究及檢測技術(shù)

1.1 石質(zhì)文物建筑病害產(chǎn)生的原因及破壞機理

  《WWT0002-2007石質(zhì)文物建筑病害分類與圖示》提出了生物病害、機械損傷、表面（層）風(fēng)化、裂隙與空鼓、表面污染與變色、彩繪石質(zhì)表面顏料病害、水泥修補七種石質(zhì)文物建筑破壞的類型，近年來也有不少學(xué)者針對石質(zhì)文物建筑病害產(chǎn)生的原因及其機理展開了詳細(xì)而深入的研究^[1] 。

謝振斌等^[2]通過一系列模擬實驗，認(rèn)為通過凍融、水解等作用形成的水的運動是砂巖表層裂變、砂巖內(nèi)部化學(xué)成分遷移和鹽類物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要原因。此外，一些有害氣體、苔蘚等生物、可溶性鹽也是崖墓風(fēng)化破壞的關(guān)鍵因素。邵明申等^[3]發(fā)現(xiàn)承德避暑山莊的一些砂巖文物上面也產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的風(fēng)化病害，進而在實驗室通過對這種砂巖檢測所得的巖石學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等數(shù)據(jù)分析該種砂巖文物的風(fēng)化機理，發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)的鹽分膨脹以及鈣質(zhì)膠結(jié)物的溶解是該種砂巖風(fēng)化剝落以及粉化破壞的主要原因。除了《WWT0002-2007石質(zhì)文物建筑病害分類與圖示》載明的病害種類外，其他產(chǎn)生石質(zhì)文物建筑建筑病害的原因也是不容忽視，張克燮等^[4]認(rèn)為水文、氣候、地質(zhì)構(gòu)造等因素在一定程度上也會產(chǎn)生石質(zhì)文物建筑建筑的環(huán)境地質(zhì)病害。金皓^[5]也通過對寧波地區(qū)氣候、降雨的分析認(rèn)為溫濕度、凍融、酸雨、風(fēng)沙等外部環(huán)境因素綜合作用是石質(zhì)文物建筑建筑病害產(chǎn)生的重要原因。王翀等^[6]從露天石質(zhì)文物建筑風(fēng)化角度，分析了藻類、地衣、苔蘚等生物以及復(fù)雜生物群落對石質(zhì)文物建筑建筑的破壞機理并提出了一些處理和預(yù)防石質(zhì)文物建筑建筑表面生物破壞的方法。

1.2 石質(zhì)文物建筑病害檢測技術(shù)

   采用一些無損或微損檢測技術(shù)對石質(zhì)文物建筑的病害進行科學(xué)診斷是合理制定石質(zhì)文物建筑保護方案的前提和基礎(chǔ)，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，在石質(zhì)文物建筑保護領(lǐng)域也運用了很多先進的檢測設(shè)備和檢測技術(shù)，并且這些設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用也大大提高了對石質(zhì)文物建筑病害診斷的準(zhǔn)確率。

對石質(zhì)文物建筑的檢測工作主要有超聲波無損探傷、電法勘探檢測裂隙等，分析工作有成份分析、晶相分析和力學(xué)狀態(tài)分析等^[7]。孫進忠等^[8]運用瑞雷波和超聲透射波對義烏古月橋橋身條石、北京西黃寺抱鼓石和故宮漢白玉欄板進行了無損檢測。張志國等^[9]運用超聲波法對乾隆御碑的內(nèi)部損傷情況進行了檢測，該種方法甚至可以通過定量探測碑體內(nèi)部裂縫的發(fā)育程度及其走勢來判斷其風(fēng)化程度。楊雋永等^[10]用X射線衍射(XRD）對新昌大佛寺石塔礦物成份、密實度、孔隙率等理化性能進行檢測，用超聲波測量儀、回彈儀和劃痕儀進行石塔風(fēng)化程度的檢測，采用便捷式熒光儀配合X衍射儀檢測石塔表面風(fēng)化成分，同時通過測量基因序列后與全球基因數(shù)據(jù)庫比對來分析微生物的種屬關(guān)系，進而為合理設(shè)計石塔修復(fù)方案奠定了基礎(chǔ)。張新鵬^[11]在對花山巖畫勘察分析的同時進行了聲波測試，對采集的巖體波速和開裂厚度的數(shù)據(jù)進行了建模、擬合，隨后定量的計算出巖體風(fēng)化厚度，進而找出該類巖體產(chǎn)生開裂的主要原因。張中儉等^[12]利用三維掃描結(jié)合超聲波技術(shù)對承德避暑山莊部分不規(guī)則形狀的石質(zhì)文物建筑建筑的裂隙發(fā)展深度進行了無損定量檢測。此外方云等^[13]用探地雷達(dá)來檢測奉先寺大佛的裂隙，該技術(shù)因其具有精度高、無損和快速的特點，而極大程度地簡化了對一些隱藏巖體裂隙和巖洞的調(diào)查工作，有利于對一些不易取樣的石質(zhì)文物建筑開展科學(xué)研究。孫亞麗等^[14]在衢州古城墻采取多塊不同巖性的巖石，然后在同等風(fēng)化條件下進行了風(fēng)化速度以及風(fēng)化剝落深度的研究，進而定量得出了砂巖、礫巖等七種巖石抗風(fēng)化能力程度的關(guān)系，為石質(zhì)文物建筑風(fēng)化病害診斷提供了理論依據(jù)。黃志義等^[15]在研究北魏宣武帝景陵地下墓室時，認(rèn)為雷達(dá)與紅外熱成像技術(shù)兩者相結(jié)合對墓室滲水病害的檢測與治理有良好效果。張慧慧^[16]通過在實驗室模擬巖石滲水情形，驗證了可以用紅外熱成像法對大型石質(zhì)文物建筑病害等級進行劃分的設(shè)想。周霄等^[17]從溫度分布角度，對承德永佑寺避暑山莊后序碑進行紅外探測，借助24小時內(nèi)溫度場的變化圖像分析其內(nèi)部裂隙及水份狀況，進而測出碑體內(nèi)部裂隙走向，為后序碑的穩(wěn)定性保護提供了依據(jù)。

2 石質(zhì)文物建筑的主要清洗方法

一般來說，石質(zhì)文物筑建筑表層的污染物在一定程度上展現(xiàn)了其悠久的歷史，我們應(yīng)該將其保留下來。但是，在當(dāng)今工業(yè)化發(fā)達(dá)和環(huán)境污染日益加劇的情形下，石質(zhì)文物建筑和古建表面污垢的沉積病害對其本體石材的壽命造成了極大的威脅。在這種情況下，清洗便是石質(zhì)文物建筑和古建保護的重要環(huán)節(jié)。

石質(zhì)類古建和文物具有特殊價值，因此在清洗前要做好充分的準(zhǔn)備工作，確保在不對其產(chǎn)生副作用的前提下達(dá)到一個科學(xué)合理的清洗效果。陸文寶^[18]認(rèn)為，在對石質(zhì)文物建筑清洗前應(yīng)做好石質(zhì)文物建筑環(huán)境調(diào)研、對石質(zhì)文物建筑劣化情況進行分析、分析污垢類型、選取合適清洗方法然后進行清洗試驗等一系列工作。

目前石質(zhì)文物建筑清洗方法有手工、物理、化學(xué)清洗和吸附脫鹽技術(shù)等^[19]。張秉堅^[20]主要介紹了幾種常用的清洗方法比如水清洗、化學(xué)清洗、粒子噴射清洗和激光清洗。水清洗法包括水浸泡、高低壓噴淋、噴射霧化蒸氣等。化學(xué)清洗方法主要有螯合法、生物法、吸附材料和貼敷技術(shù)、表面活性劑法等，因為敷貼法具有耗用藥試劑量少、易于在垂直面和頂面敷貼、時間可控等特點，所以它是大體量石質(zhì)文物建筑化學(xué)清洗的一種重要方法^[21]。粒子噴射清洗為一種物理清洗方法且具有清洗效率高、可控度好以及無化學(xué)殘留等優(yōu)點，其工作原理主要是在微粒子沖擊作用下使污垢層直接從石材表面剝離或者微粒子沖擊運動將污垢磨損去除，對于表面簡單的積塵、土銹及其鈣化結(jié)殼等無機形態(tài)的污染物采用該方法的清洗效果比較好^[22]。激光清洗污染物范圍廣泛，且具有無損、精度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點^[23]，其清洗原理是激光照射在污垢表層，在污染微粒或表層吸收能量后，產(chǎn)生汽化或光分解等作用，進而達(dá)到清洗污垢的效果^[24]。此外，葉亞云等^[25]研究了在激光輻照下砂巖的損傷程度，他們試驗性地用激光清除砂巖表層墨跡污垢，得到了一些激光清洗的參數(shù)并且總結(jié)了該種能夠達(dá)到最佳激光清洗效果方法，隨后在四川綿陽碧水寺進行了外場實驗，進而證實激光能安全有效清洗煙熏污垢。齊揚等^[23]也在云岡石窟驗證了激光清洗的效果。

3 石質(zhì)文物建筑的相關(guān)保護材料

    石質(zhì)文物建筑具有特殊的歷史文化價值，且具有不可再生性，因此在對石質(zhì)文物建筑加固保護之前應(yīng)結(jié)合所保護石材特征仔細(xì)了解保護材料的物理化學(xué)性質(zhì)，謹(jǐn)慎選取保護材料。

    目前應(yīng)用于石質(zhì)文物建筑修復(fù)的無機材料有Ba(OH)2、石灰水等灌漿加固材料以及油、蠟等表面封護劑，常用于石質(zhì)文物建筑保護的有機材料主要有環(huán)氧、丙烯酸類樹脂、有機硅樹脂等，表1對各種無機、有機材料的優(yōu)缺點進行了對比^[26] ：

表1常用無機、有機材料優(yōu)缺點對比^[26]

Table Comparison of advantages and disadvantages of inorganic and organic materials

    近年來，隨著社會對石質(zhì)文物建筑的重視，不少機構(gòu)也研制出了一些用于石質(zhì)文物建筑保護的復(fù)合材料和新型材料。

     洪坤等^[27]認(rèn)為仿生無機材料因為具有良好的耐磨性、疏水透氣性、環(huán)境友好性等特點，在石質(zhì)文物建筑保護方面這種材料具有較好的研究價值與應(yīng)用價值。劉玉榮^[28]介紹了介孔材料具有較高的比表面積和規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)，且介孔涂層材料應(yīng)用于石質(zhì)文物建筑保護具有良好的透水性和疏水性，較強的抵抗酸雨的能力及無裂縫等優(yōu)點，但是在目前的應(yīng)用過程中還存在著介孔涂層的有序度不是很高、孔徑分布范圍較寬等缺點。范敏等^[29]認(rèn)為有機硅具有較好的粘結(jié)性、疏水透氣性，優(yōu)良的耐候性、保光性等特點，對石質(zhì)文物建筑的加固和抗風(fēng)化都能起到較好的作用。但是受巖石濕氣的影響，有機硅易產(chǎn)生輕微變色，其抗老化性能需進一步的改善。王麗琴等^[30]研制了一種納米TiO₂改性石質(zhì)文物建筑防水材料,并且通過在重慶大足石刻上的試驗證明該種材料耐鹽性、透氣性及耐光性等比改性前有顯著改善，并且可以長期保持它良好的憎水性。

4 石質(zhì)文物建筑監(jiān)測技術(shù)情況

石質(zhì)文物建筑的監(jiān)測主要用于了解現(xiàn)存石質(zhì)文物建筑保存狀況，石質(zhì)文物建筑本體材料風(fēng)化速度以及風(fēng)化到何種程度需要預(yù)警。同時監(jiān)測石質(zhì)文物建筑各項理化數(shù)據(jù)，對其未來病害發(fā)展?fàn)顩r進行預(yù)測預(yù)警，并在監(jiān)測過程中采取措施及時干預(yù)減少不利因素對石質(zhì)文物建筑的破壞，對石質(zhì)文物建筑實施動態(tài)保護，大大降低先破壞后修復(fù)的風(fēng)險和成本。此外，對石質(zhì)文物建筑定期進行各項指標(biāo)的監(jiān)測也可以對某些材料和技術(shù)的修復(fù)效果進行跟蹤檢驗，總結(jié)經(jīng)驗，為后續(xù)石質(zhì)文物建筑修復(fù)或其他石質(zhì)文物建筑的修復(fù)提供技術(shù)支撐。

目前對于石質(zhì)文物建筑的監(jiān)測主要側(cè)重于對石質(zhì)文物建筑力學(xué)性能監(jiān)測、本體材料監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測等方面。比如呂恒柱^[31]通過建立蘇州虎丘古塔監(jiān)測數(shù)據(jù)庫以及古塔變形的數(shù)學(xué)模型然后根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出古塔沉降觀測曲線、形變趨勢預(yù)測圖、超警戒線異常點等數(shù)據(jù)圖表,科學(xué)直觀的對虎丘古塔進行監(jiān)測預(yù)警。周偉等^[32]對頤和園佛香閣進行激光掃描，然后進行整體點云數(shù)據(jù)的拼接，并對通天柱用橢圓方程進行擬合，進而對其傾斜偏移等各項指標(biāo)進行監(jiān)測，為古建筑精細(xì)化保護奠定了基礎(chǔ)。葛琴雅等^[33]采用一種優(yōu)化后的ATP生物發(fā)光法，在文物的現(xiàn)場和實驗室內(nèi)進行抑制菌效力測試，同時該方法還可以監(jiān)測藥劑在文物上的殘留情況，進而為石質(zhì)文物建筑微生物病害的科學(xué)治理提供依據(jù)。孟誠磊^[34]利用表面粗糙度儀、紅外熱成像儀等一系列先進設(shè)備對靈隱寺雙經(jīng)幢進行了表面風(fēng)化和水遷移活動的監(jiān)測，得出該雙經(jīng)幢風(fēng)化和微生物污染嚴(yán)重的結(jié)論，進而建議進行清理修復(fù)。對麗水市延慶寺塔進行砂漿強度監(jiān)測，得出砂漿強度和塔身傾斜具有相關(guān)性的結(jié)論。還對龍德寺塔修補前后砂漿強度和成份進行監(jiān)測，進而證明其修補材料合理有效性。方云^[35]采用位移傳感器及三芯應(yīng)變片、小型氣象站、MiniTrase等設(shè)備采集位移、力學(xué)、溫濕度、土體濕陷性等數(shù)據(jù)對唐順陵天祿石雕進行變形監(jiān)測，并通過對比分析不同因素與石雕形變的相關(guān)性來判斷天祿石雕裂隙的變形方式，確定影響石雕穩(wěn)定性的最不利因素，從而為搶救保護該石質(zhì)文物建筑提供了科學(xué)依據(jù)。崔亞平^[36] 通過設(shè)置相應(yīng)的傳感器采集溫濕度、太陽輻射強度、紫外線強度數(shù)據(jù)對廣州南越王墓進行了長達(dá)3年的環(huán)境監(jiān)測，通過分析得知與潮濕相比濕差對于墓室?guī)r石造成的危害更大，溫差、紫外線、照度也對石質(zhì)墓室風(fēng)化起一定作用，進而提出通風(fēng)、除濕、空調(diào)等控制手段綜合配合來維持氣候狀況的穩(wěn)定性，同時對光棚進行針對性的改造來改善光照、紫外線對墓室的破壞。但是監(jiān)測過程中也存在不能實時獲取數(shù)據(jù)、監(jiān)測指標(biāo)較少、缺少與監(jiān)測相匹配的數(shù)據(jù)系統(tǒng)等問題。

5 現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)在石質(zhì)文物建筑保護中的應(yīng)用概況

隨著社會的進步以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息等技術(shù)逐漸與石質(zhì)文物建筑保護緊密結(jié)合起來，這些信息技術(shù)的產(chǎn)生和運用為石質(zhì)古建和石質(zhì)文物建筑科技保護起到了積極的推動作用，有利于石質(zhì)文物建筑的數(shù)字化保護以及延長石質(zhì)文物建筑的壽命。

近年來也有不少專家學(xué)者將現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)用于石質(zhì)文物建筑的搶救性保護，并取得了顯著的成效。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)獲取石質(zhì)文物的空間三維信息在石質(zhì)文物的保護和修護工作中具有很重要的意義^[37-43],比如李樹坤等^[44]對石質(zhì)文物建筑三維掃描的方法、原理進行了介紹，并結(jié)合具體工程提出了三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物建筑精確三維量算、虛擬修復(fù)、變化檢測等方面的應(yīng)用。在云岡石窟的保護工程中運用了GIS、計算機網(wǎng)絡(luò)、三維掃描等技術(shù)對石質(zhì)文物建筑本體進行永久化的數(shù)字保護^[45]。陶濤^[46]設(shè)計與實現(xiàn)了重慶大足石刻千手觀音造像三維展示系統(tǒng)，隨后實現(xiàn)了多點觸控等常用的幾個三維模型的交互技術(shù)。馬文武^[47]通過對石碑高光譜數(shù)據(jù)進行基于閾值的最小噪聲分離變換，提取了原始影像中模糊不可見人偶圖像，并對其顏料成份進行了分析，該實驗結(jié)果對于后期石碑的修復(fù)和研究提供了依據(jù)。葛懷東^[48]引入自適應(yīng)三維重建系統(tǒng)與三維全景空間測量技術(shù)，構(gòu)建南朝陵墓石刻數(shù)字化保護方案，為以后石質(zhì)文物建筑的保護與研究提供了依據(jù)。劉文娟等^[49]也對三維掃描石刻進行了研究。此外，一些學(xué)者也提出了構(gòu)建一個關(guān)于文物保護的多媒體數(shù)字圖書館的設(shè)想，可以將所保護文物的各種信息特別是對其修復(fù)保護的各種圖片、錄像等資料實時錄入到該數(shù)字平臺，為文物的后續(xù)保護提供可靠依據(jù)。 

6 結(jié)論與建議

  從以上現(xiàn)狀分析，由于石質(zhì)文物科技保護發(fā)展時間較短，研發(fā)投入相對較少等因素的限制，我國在石質(zhì)文物科技保護領(lǐng)域與國外先進水平，特別是與歐洲國家相比還是有一定的差距。

(1)修復(fù)材料

目前應(yīng)用于國內(nèi)石質(zhì)文物保護的大多是有機材料，但是隨著時間的推移有機材料失效后則會對石質(zhì)文物保護帶來副作用，因此環(huán)境友好型的石質(zhì)文物修復(fù)材料及傳統(tǒng)材料有待加強研發(fā)和應(yīng)用。

(2) 儀器設(shè)備

專門針對石質(zhì)文物科技保護的高精度、友好型施工與監(jiān)測設(shè)備有待研發(fā)，比如石質(zhì)文物風(fēng)化表層的微損取樣設(shè)備、激光清洗設(shè)備、便攜式現(xiàn)場檢測監(jiān)測設(shè)備等。

(3) 人才培養(yǎng)

石質(zhì)文物保護涉及建筑結(jié)構(gòu)、建筑施工、建筑材料、生物學(xué)、礦物學(xué)、巖石學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等多個學(xué)科，國內(nèi)開設(shè)文物保護專業(yè)的高校較少，專門培養(yǎng)石質(zhì)文物保護技術(shù)專業(yè)人才的院校更少，因此在石質(zhì)文物保護領(lǐng)域，有待培養(yǎng)一批復(fù)合型石質(zhì)文物科技保護專業(yè)的高級應(yīng)用型人才。

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