石質(zhì)文物的清洗

石材在我國建筑上的應用，可以追溯到3000年以前，在許多佛塔、宮殿、墓室、碑刻、橋梁等方面都大量使用了石材，現存石質(zhì)文物量非常巨大，從北魏的石碑到我國的四大石窟，從五代時(shí)期的石塔到隋代的趙州橋，從盧溝橋到北京故宮建筑群，都可以顯現出石質(zhì)文物的歷史留存久遠。

石質(zhì)文物由于其特殊的歷史價(jià)值和不可再生性，在它的保護上一直受到人們的重點(diǎn)關(guān)注。在石質(zhì)文物的防護和清洗方面，國內外的科技工作者都進(jìn)行了一些探索性的工作和研究，總結和產(chǎn)生了一些經(jīng)驗和方法。

一、石質(zhì)文物的病變特點(diǎn)

(1)石質(zhì)文物由于存在的時(shí)間久遠，受到人為污染、戰爭損害、雨水侵蝕、環(huán)境污染、煙火熏烤等因素的影響，其表面和內部都會(huì )產(chǎn)生一定量及一定深度的損傷，這是與我們現代裝飾石材病變的最大不同。裝飾石材由于使用時(shí)間較短，雖然污染也較為復雜，但其污染、病變、損傷一般都體現在石材表面。

(2)石質(zhì)文物由于存在時(shí)間較長(cháng)，其表面礦物成分與空氣中化學(xué)元素發(fā)生反應，形成新的物質(zhì)。

2006年，北京太廟漢白玉欄桿需要進(jìn)行清洗保護施工，在提取漢白玉石材表面污染物進(jìn)行電子顯微鏡觀(guān)察時(shí)，發(fā)現了CaS04晶體，而科技人員對現代的漢白玉石材的礦物成分進(jìn)行分析時(shí)，并沒(méi)有發(fā)現漢白玉石材中存有CaSO4成分。經(jīng)科技人員分析，是空氣中的SO3氣體與空氣中的水汽結合產(chǎn)生硫酸，也就是我們俗稱(chēng)的酸雨，酸雨與漢白玉石材中的CaCO3發(fā)生反應產(chǎn)生了新物質(zhì)CaSO4，其化學(xué)反應過(guò)程為：

SO3+H2O->H2SO4

H2SO4+CaCO3-^CaSO4+H2O+C02t

(3)石質(zhì)文物的表面風(fēng)化程度及深度與現代裝飾石材也有非常大的不同。石質(zhì)文物的風(fēng)化既有物理風(fēng)化也有化學(xué)風(fēng)化，它幾乎包含了現代裝飾石材所有的風(fēng)化特性。由于其風(fēng)化期長(cháng)遠，各種風(fēng)化元素長(cháng)期作用于文物表面，有些文物已經(jīng)面目全非了，如山西云岡石窟一些洞外石刻。

(4)我們國家的石質(zhì)文物病變也存在著(zhù)南北不同，我國北方干燥，冬季室外溫度為-10~-30弋，因此凍融對石質(zhì)文物傷害極大。南方濕潤，各類(lèi)菌類(lèi)、苔蘚植物長(cháng)期附著(zhù)于石質(zhì)文物表面生長(cháng)、生存,縮短石質(zhì)文物的壽命，它們分泌、分解及死亡后形成的酸性腐蝕物對石質(zhì)文物的傷害極大。

(5)石質(zhì)文物在長(cháng)期的自然環(huán)境下，表面形成可溶性鹽及難溶性硬殼，這些物質(zhì)嚴重地影響到石質(zhì)文物的歷史價(jià)值及美學(xué)價(jià)值。

二、石質(zhì)文物的清洗原則

石質(zhì)文物的歷史性及文物價(jià)值決定了它的清洗不同于現代裝飾石材及石質(zhì)藝術(shù)品。石質(zhì)文物表面所形成的污垢、風(fēng)化及滄桑感，在一定程度上反映了其本身所具有的久遠歷史，“尊重歷史，保持原狀，修舊如舊”是現階段石質(zhì)文物清洗的原則。

“尊重歷史，保持原狀”是要求我們在不斷深人理解先人創(chuàng )造文物的思想時(shí)，尊重他們的創(chuàng )造,維護他們創(chuàng )造的成果。

古希臘著(zhù)名石質(zhì)藝術(shù)品“大衛”，斷掉的左臂，在不理解、不了解原創(chuàng )人員創(chuàng )作意圖時(shí)，任何修復它的舉動(dòng)都是徒勞的。

1992年，在北京盧溝橋進(jìn)行保護時(shí)，對橋上的石獅子進(jìn)行了有機硅防護，幾年后石獅子表層石質(zhì)脫落，使其歷史價(jià)值受到了影響。這其中主要原因是對石獅子表層風(fēng)化層沒(méi)有進(jìn)行深人的科學(xué)分析和檢驗。有機硅防護劑滲人深度沒(méi)有透過(guò)風(fēng)化層到達未風(fēng)化層，反而將一部分風(fēng)化層石材提高了強度，形成一層硬殼，這層硬殼在外力的沖擊下破損脫落。這是對石質(zhì)文物物理特性不了解造成的失誤。

“修舊如舊”是體現石質(zhì)文物歷史時(shí)間感、滄桑感。如果將一個(gè)石質(zhì)文物重新打磨雕刻,將會(huì )完全喪失其文物價(jià)值,因此“修舊如舊”是體現文物價(jià)值的一個(gè)重要原則。

三、石質(zhì)文物的清洗

石質(zhì)文物清洗應盡量使用物理方法進(jìn)行操作?；瘜W(xué)清洗少用或最好不用，結合物理化學(xué)綜合清洗的方法,在進(jìn)行充分科學(xué)試驗和論證的情況下可以使用?？傊?，對文物的二次損傷是應當全力避免的。

針對石質(zhì)文物病變特點(diǎn)，可以選擇不同的清洗施工方法。目前，常用的石質(zhì)文物清洗方法有吸附脫鹽清洗、化學(xué)清洗，蒸汽噴射清洗、粒子噴射清洗、激光清洗等。當然，這些技術(shù)從方法上還可分為化學(xué)清洗和物理清洗，從施工狀態(tài)上可分為濕法清洗和干法清洗,從清洗所使用的介質(zhì)上可分為液體清洗、粒子清洗和激光清洗。

(一）吸附脫鹽清洗技術(shù)

由于鹽結晶是危害文物表層巖石結構的最大破壞因素之一，國內外文物保護工作者已經(jīng)作過(guò)大量的巖石表面脫鹽研究。吸附脫鹽一般都是采用吸附材料，如干凈潔白吸水性的紙張、脫脂棉、紗布等吸附物質(zhì)。石材表面噴水，用水做溶劑，溶解石材微孔中的可溶性鹽類(lèi)。隨著(zhù)水分向石材表面的蒸發(fā)，鹽溶液也隨水分向石材表面遷移，達到石材表面后可溶性鹽被吸附物所吸附。石質(zhì)文物的脫鹽過(guò)程經(jīng)常需要十幾次，甚至幾十次。因此，優(yōu)良的吸附材料是脫鹽工作的關(guān)鍵所在。

由于重大石質(zhì)文物保護工程幾乎都需要脫鹽工序，該技術(shù)看似簡(jiǎn)單，但作用重要，因此還應進(jìn)行深人的機理研究。例如，從巖石微結構、介質(zhì)溶解和遷移速率、吸附材料、外環(huán)境控制等方面綜合考察，以提高效率為目標，得到更佳的吸附脫鹽清洗技術(shù)。

(二）化學(xué)清洗技術(shù)

化學(xué)清洗是采用現代裝飾石材病變清洗產(chǎn)品或經(jīng)過(guò)改進(jìn)的產(chǎn)品用于清洗滲人石質(zhì)文物內部的污染，這種化學(xué)清洗一般不大量使用?；瘜W(xué)清洗劑能夠滲人巖石微孔隙，清除特定的污垢和污染物?；瘜W(xué)清洗的優(yōu)點(diǎn)是具有高度的選擇性?，F代化學(xué)清洗用藥量和用水（或溶劑）量都很少，對石雕表面微結構的破壞性也小?；瘜W(xué)清洗技術(shù)的關(guān)鍵是選擇合適的化學(xué)清洗劑，因為某些化學(xué)品有可能引發(fā)文物嚴重的破壞，例如腐蝕性破壞、鹽結晶破壞或表面殘留物泛黃等。目前，化學(xué)清洗最大的困難是難以判別殘留物對文物的遠期影響，另一個(gè)問(wèn)題是容易造成環(huán)境污染。

(三）蒸汽噴射清洗技術(shù)

水蒸氣噴射是近幾十年來(lái)國際上廣泛應用于建筑物石質(zhì)外墻清洗的很有效的清洗技術(shù)，也是最環(huán)保的清洗方法之一。盡管屬于濕法清洗，但它沒(méi)有低壓噴水清洗的水浸泡引起黏結部位泥灰溶脹、可溶鹽遷移和微生物繁殖的危害問(wèn)題，因為很快就干了;也沒(méi)有高壓噴水清洗容易造成脆弱石雕邊角部位脫落的危險，因為沖擊力很小。它對常見(jiàn)的灰塵水垢和生物性污染物很有效。

目前，國內蒸汽噴射清洗機械已有批量生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)在上海外灘建筑物的石質(zhì)、磚質(zhì)外墻等許多清洗工程中的實(shí)際應用，蒸汽噴射清洗的效果良好。上海外灘有一批19世紀末期和20世紀初期建造的高層建筑，由于地處黃浦江邊，空氣濕度較大，石質(zhì)外墻及磚質(zhì)雕刻文物風(fēng)化較重，有些部分還在“文化大革命”時(shí)期被油漆或涂料所覆蓋。使用蒸汽噴射清洗機械能夠有效地清除這些污染。但用于表面已風(fēng)化的石質(zhì)文物，是否會(huì )因為蒸汽的高溫而造成巖石內外熱賬不均，從而導致應力破壞，還需要進(jìn)行深人研究。

(四）粒子噴射清洗技術(shù)

粒子噴射屬于干法清洗，它有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，便于大面積施工，沒(méi)有化學(xué)品危害問(wèn)題，也沒(méi)有水沖擊破壞和潮濕危害問(wèn)題。以往使用的用粗糙石英沙在氣流壓力（一般為W6Pa)下噴沙摩擦的方法在工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)逐步被淘汰，因為這種噴沙方法會(huì )嚴重磨損石質(zhì)文物的表層，特別是一些棱角部位?，F代粒子（直徑0.1~0.5mm)或微粒子（直徑0.05~0.1mm)噴射清洗采用的氣流壓力為2xlO5Pa左右。盡管氣流壓力小了許多，但是精心設計的各種噴嘴能夠使粒子很好地清洗石雕的各個(gè)細微部位。粒子材料的種類(lèi)也大為拓寬，有石英粉、剛玉粉、方解石粉、玻璃微珠、鼓風(fēng)爐渣粒、塑料粒子等。操作過(guò)程產(chǎn)生的飄塵可以用真空吸塵器吸掉，粒子可以自動(dòng)回收和循環(huán)使用。一般來(lái)說(shuō),硬度高和邊角銳利的粒子易磨平表面，而較軟和較光滑的粒子的清垢效率較低。因此，粒子的種類(lèi)、大小和氣流壓力等必須根據被清洗石質(zhì)文物的石料、部位和污垢等具體情況精心選擇，以保證既要達到清洗目的又不對文物造成傷害。另外，噴槍噴嘴的好壞也是影響清洗質(zhì)量的重要因素。粒子噴射技術(shù)的最大優(yōu)勢是用于清除大面積的不溶性硬垢層時(shí)，去除的量和厚度可以人為控制。

國內應用進(jìn)口高壓粒子噴射清洗設備進(jìn)行的石質(zhì)文物外墻清洗已經(jīng)有多次成功施工應用。2006年在長(cháng)春人民銀行石質(zhì)外墻、2007年在上海中國銀行石質(zhì)外墻和上海長(cháng)路大廈石質(zhì)外墻進(jìn)行的清洗施工中使用了德國生產(chǎn)的高壓粒子噴射清洗設備，施工后經(jīng)過(guò)幾年的觀(guān)察,施工效果令人比較滿(mǎn)意。

高壓粒子噴射清洗設備清洗施工時(shí)的工作壓力是可以調節的，清洗施工時(shí)的工作壓力應根據被清洗石質(zhì)的抗壓強度、風(fēng)化情況、表面是否雕刻等情況進(jìn)行調整。如在上海長(cháng)路大廈進(jìn)行施工時(shí)，外墻石材是花崗石，石材表面風(fēng)化較少，石材表面的主要病變?yōu)槲廴据^重，石材顏色發(fā)黑。在使用髙壓粒子噴射清洗設備清洗施工時(shí)的工作壓力為30~35MPa,表面污染清除量為60%~70%。保留一部分污染主要是為了留下這個(gè)建筑的歷史感及滄桑感。這也是石質(zhì)文物“修舊如舊”的體現原則。

高壓粒子噴射清洗設備的粒子噴射量通過(guò)變換噴嘴的大小也是可以調整的。粒子噴射量的多少是根據清洗工作面的大小、清洗物體表面棱角變化來(lái)調整的。

(五）激光清洗技術(shù)

近年來(lái)，隨著(zhù)對清洗精確度的要求越來(lái)越高，以及人類(lèi)環(huán)境保護意識的提高,用激光技術(shù)清洗石質(zhì)文物的報道在發(fā)達國家已經(jīng)很常見(jiàn)。激光清洗主要利用激光束來(lái)清除巖石表面的附著(zhù)物，它省力、節水、安全可靠、適用面廣、易于自動(dòng)控制，特別對于精細的石雕，激光清洗的優(yōu)勢是許多傳統清洗工藝無(wú)法比擬的。

激光清洗的原理主要如下：

(1)光脈沖的振動(dòng)，即利用較高頻率的脈沖激光沖擊被清洗物的表面，光束轉變?yōu)槁暡ú南聦佑脖砻娣祷?，與入射波發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生共振使污垢層或凝結物振動(dòng)碎裂。

(2)粒子的熱膨賬，即利用基底物質(zhì)與表面污物對某一波長(cháng)激光能量吸收系數的差別，使污垢多吸收能量而熱膨脹，克服基底對污垢粒子的吸附力而脫落。

(3)分子的光分解或相變，即在瞬間使污垢分子或使人為涂上的輔助液膜汽化、分解、蒸發(fā)或爆沸，使表面污垢松散并隨微沖擊作用而脫離基底表面。具體應用方式、激光波長(cháng)范圍、脈沖頻率、功率大小,以及是否需輔助涂覆水與乙醇等液膜都要根據文物與污垢的實(shí)際情況經(jīng)過(guò)試驗確定。

在國際上，激光清洗已經(jīng)成為一項比較成熟的石質(zhì)文物的清洗技術(shù)。1992年9月，人們開(kāi)始為期一年的亞眠大教堂西側圣母門(mén)修復工程。這個(gè)文物是聯(lián)合國教科文世界文化遺產(chǎn)組織為紀念圣母門(mén)被收人該組織20周年紀念活動(dòng)的主角，借此機會(huì )，修復者首次便用激光清洗法，用激光除垢法消除覆蓋在石頭花紋上幾毫米厚的黑色表層。

用激光清洗石頭是個(gè)很老的想法。用于亞眠大教堂圣母門(mén)的樣機是在意大利BM公司歷史古跡研究實(shí)驗室微生物部門(mén)負責人G.Orial的領(lǐng)導下,科技人員經(jīng)過(guò)5年的時(shí)間研制成功的。

在我國,不論在石材工業(yè)領(lǐng)域還是在石質(zhì)文物保護領(lǐng)域,運用激光技術(shù)清洗石質(zhì)材料上污垢的工作還幾乎是空白，其主要原因是激光設備價(jià)格昂貴。

四、石質(zhì)文物清洗效果的測試技術(shù)

為了確保石質(zhì)文物清洗工程的無(wú)損性，準確評價(jià)清洗效果，國際上越來(lái)越多地使用先進(jìn)的科學(xué)手段來(lái)檢驗和判定清洗前后文物本體的變化,用儀器的定量數據來(lái)表達檢測結果和評價(jià)優(yōu)劣，以避免不確定因素和人為因素的干擾。

(一）常用的測試儀器、方法和檢測內容

色度儀:測定表面顏色的變化。

光度儀:測定表面粗糙度的變化。

顯微鏡:測定表面磨損率。

接觸角和表面張力儀:測定以前保護殘留物的去除率和降解率等。

吸附萃取和電化學(xué)法:檢測可溶性鹽離子的殘留量。

毛細管法:測量毛細吸水率變化。

(二）檢測的標準

在國際上，已有一些關(guān)于清洗劑、清洗操作和效果檢測的標準，例如《石材、水泥、灰泥表面清洗技術(shù)選擇標準》（ASTME1857_97(2004))、《建筑物維修天然石材，磚塊，陶瓦的清洗操作規范》（BS6270—IBS8221—1),《評定清洗劑效果的標準試驗方法》（ASTMG122-1996)、《洗滌清洗劑和消毒劑評價(jià)的標準試驗方法》（ASTME2274-2003)o

目前，文物檢測和評價(jià)指標的范圍越來(lái)越寬，基本上要涵蓋本體和環(huán)境、外觀(guān)和結構、近期和遠期等方面。

在國內，浙江大學(xué)石材研究室曾針對裝飾石材清洗效果的檢測和評價(jià)作過(guò)一些研究。在文物保護領(lǐng)域，西安文物保護修復中心編寫(xiě)的館藏石質(zhì)文物保護修復方案編寫(xiě)規范中有部分內容涉及清洗效果的評價(jià)方法。隨著(zhù)定量化的儀器檢測方法逐步被國內各大文物保護單位和研究機構采用,結合我國大型石質(zhì)文物清洗的實(shí)際，制定我國石質(zhì)文物清洗和清洗效果檢測規范已是當務(wù)之急，當然這也是我國文物保護事業(yè)不可缺少的基礎建設。

五、石質(zhì)文物清洗方法的應用及發(fā)展前景

(1)在石質(zhì)文物清洗工作中，吸附脫鹽清洗技術(shù)是常用的方法。盡管?chē)鴥纫呀?jīng)做過(guò)大量研究工作，但是可溶性鹽的破壞仍然是大型石質(zhì)文物最普遍和危害最大的問(wèn)題。應該總結經(jīng)驗，更科學(xué)地發(fā)展該項技術(shù)。

(2)對于大型石質(zhì)文物表面的一些小面積的特種污染物，例如銹斑、油污斑、動(dòng)植物和微生物的繁殖及糜爛后遺留的印跡等，化學(xué)清洗仍然是最便捷、最有效和對巖石表面微結構直接破壞最小的方法。因此，發(fā)展清洗效果更好、對文物本體副作用更小、對環(huán)境更友好的化學(xué)清洗劑和清除工藝仍然是不可缺少的研究方向。

(3)對于大面積的灰塵沉積物和微生物等軟垢層，蒸汽噴射是效率較高、環(huán)保性好、設備投資相對較低的清洗方法。因此，研究能夠用于石質(zhì)文物表面清洗且無(wú)熱應力破壞的蒸汽噴射清洗技術(shù)是值得發(fā)展的方向。

(4)對于大面積難溶性硬垢層和以前保護修復處理的殘留物等，粒子噴射是效率較髙、適應面較廣的清洗方法。若能提高國產(chǎn)粒子噴射機械質(zhì)量，或者先從引進(jìn)技術(shù)設備人手，都對國內石質(zhì)文物和古建筑外立面清洗技術(shù)的發(fā)展有重要促進(jìn)作用。

(5)對于結構精細而自身強度又很脆弱的石雕表面的黑色污垢層，激光清洗應該是最安全、最環(huán)保的清洗方法。盡管受設備限制，但我國作為文物大國，可以從引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)獲取經(jīng)驗,這對我國文物保護技術(shù)的發(fā)展和帶動(dòng)國內激光清洗機械的研制應該具有重要的意義。

在廣大科技工作者的努力下，石質(zhì)文物的清洗技術(shù)發(fā)展到現在，已經(jīng)有了一定的理論基礎和實(shí)踐經(jīng)驗，特別是在借助先進(jìn)的檢測儀器及施工設備方面有了較大的發(fā)展，但對石質(zhì)文物病變的充分認識、了解和科學(xué)治理還有很長(cháng)的路要走，石質(zhì)文物的清洗是一個(gè)任重而道遠的艱巨任務(wù),還需要我們廣大的科技工作者付出更大的努力。