成都杜甫草堂唐代遺址土體保護材料的選擇

王嘉堃，李東紅，周雙林，白玉龍

（1.首都師范大學歷史學院，北京 100048；2.北京大學考古文博學院，北京 100871；3.成都文物考古研究院，四川 成都 610000）

成都杜甫草堂是唐代大詩人杜甫于唐肅宗乾元二年（759年）至唐代宗永泰元年（765年）客寓成都的居所，是歷代紀念杜甫規模較大、保存完整、知名度較高的一處遺跡，儼然成為中國文學史上的一方圣地，1961年被國務院列為全國第一批重點文物保護單位。

2001年10月，成都杜甫草堂博物館在建設地下管網的過程中，在北門內東側苗圃距地表1 m深處發現了唐代瓷器殘件。成都市文物考古研究所會同成都杜甫草堂博物館進行了搶救性發掘清理，發掘面積總計1 020 m2，發現了唐代的房屋基址、亭臺遺址以及水井（圖1）、排水溝等重要遺跡，出土了唐代碑刻等遺物。

圖1 唐代房屋基址、水井（來源：作者自攝）

這些發現既對再現唐代人們的生活場景意義重大，也豐富了杜甫草堂的歷史文化內涵。

為了保護這處重要遺址，計劃對其開展保護研究，目的是盡可能地保護該處唐代遺址，防止和控制自然和人為因素對遺址的破壞，盡量保持遺址出土時的完整形態，延長遺址的壽命，并使遺址得較為到完美的展示。其中的內容包括保護性展室的設計、地下水隔斷工程、土體的化學加固和防霉除草等方面。本文主要探討的是土體保護研究中材料的選擇。

1 土體加固劑的作用和要求

土體在自然因素如溫度變化、濕度變化、可溶鹽以及生物因素的作用下，會出現侵蝕與風化現象，表現為表層顆粒脫落，輪廓模糊不清，外觀形狀的改變。為了對抗土體的風化，可以采用控制環境因素的方法，也可以采用化學材料對土體進行改性，從而提高土體的內部連接力，恢復其本身強度和穩定性。

土體加固劑是現在常用的對抗侵蝕風化的化學材料，主要用于考古遺址土體的防風化，以及治理已經出現風化狀況的土遺址。防護時一般采用滴注或噴淋的方法使用。將加固劑按照合理濃度配置后，用滴管或噴淋裝置施用在被加固的土體上，待溶劑揮發后，加固劑中的固體成分在土體顆粒的間隙中固結，從而恢復顆粒之間的連接以及土體的完整性。

土體加固劑使用在文物或遺跡上，要求如下：

(1)材料容易制備，價格低，可接受；

(2)性能比較穩定，保存容易，攜帶方便，不易變質；

(3)低毒無害，對操作者沒有不利影響，對自然環境影響小；

(4)黏度低，滲透能力強；

(5)固結快，受環境條件影響小；

(6)固結完成后不改變土顏色、透氣性好等；

(7)固結后不在土體表面形成硬殼，與內部土體無明顯的分界；

(8)耐老化性能好。

2 試驗樣品的制備

根據對多個土遺址保護的實踐經驗，選擇了幾種在土遺址保護中成功的材料作為草堂遺址土體加固的備選材料，這些材料如下。

(1)甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）：與乙醇以3∶7（體積）配比混合使用；

(2)德國Remmers 公司的產品Remmers 300（R300）：與乙醇以3∶7（體積）的配比混合使用；

(3)K02：采用有機硅改性樹脂乳液制備的非水分散加固劑；

(4)21J：采用丙烯酸樹脂乳液制備的非水分散加固劑；

(5)TD：采用含有官能團的丙烯酸樹脂乳液制備的非水分散加固劑。

非水分散加固劑的制備方法見有關文獻[1]。使用的濃度根據對土樣的初步加固試驗，根據滲透速度選定為K02：1%，21J：0.5%，TD：1%。

2.1 土樣的制備

加固劑試驗從理論上應該在遺址上進行，但是由于要試驗的面積較大，而且是破壞性的，因此一般都采用在遺址周圍取土，仿照遺址土特性做重塑土樣進行試驗。本次試驗選擇草堂唐代遺址回填部分的土樣，保持含水率不變，粉碎后過篩，然后用制抗壓試模將粉土壓成φ50 mm×103 mm的土樣（圖2）。使用的制抗壓試模為北京工具廠生產。在草堂遺址采土樣約20 kg,制備土樣48個，其余部分做分析檢測。

圖2 模擬試驗土樣（來源：周雙林攝）

2.2 土樣的加固

土樣干燥后，采用以上所選的加固劑，用滴管從土樣上部滴加加固劑，滴加時注意加固劑不要在土樣表面積聚，待表面沒有加固劑液體時再滴加。不斷滴加，直至滲透土樣為止。

滴加過程中記錄滲透速度（圖3），3種非水分散體加固劑的滲透速度均高于甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）和R300。在30 min時，K02的滲透深度是80 mm；而MTEOS和R300的滲透深度均是58 mm。根據試驗需要，每種材料制備土樣9個。

圖3 成都土體滲透速度（來源：作者自繪）

2.3 樣品的固化

滴加完加固劑的土樣要用塑料膜封閉保存2周。其中MTEOS和R300加固的土樣封閉時要放入一杯水，以起到保濕作用。樣品經過2周的固化過程，測量重量，基本已達到穩定，這時就可以進行加固效果檢驗。

3 室內加固保護效果檢驗

固化完成后的土樣即可進行加固效果檢驗，其中重量變化、顏色變化不需要破壞試樣，抗壓試驗用樣3個，耐水試驗用樣6個，試驗完成后，分別進行耐凍融試驗和耐鹽試驗。

3.1 重量變化

土樣加固前后的重量變化如表1～表5所示。

表1 土樣加固前后重量變化（K02）

表2 土樣加固前后重量變化（21J）

表3 土樣加固前后重量變化（TD）

表4 土樣加固前后重量變化（MTEOS）

3.2 顏色變化

加固劑處理要求盡量不改變文物的顏色。試驗中以測色色差儀測量土樣加固前后的顏色變化，儀器為北京興光測色儀器公司生產的DC-P3型測色色差儀。對5個樣品的上表面進行色差測量，結果可得出三刺激值（x，y，z），試樣明度L＊，黃變（dYi），色差（ΔE）等數值，其中色差（ΔE）通常作為比較顏色變化的指標，表6給出了NBS單位的感覺值。

表6 NBS單位的感覺值

續表6

加固處理要求盡量不改變文物的外觀，尤其是顏色。試驗中使用的是LAB 亨特表色系統。ΔE表示位于三維空間的兩色點之間的距離。ΔE=1時，稱為1個NBS色差單位，根據NBS可以判斷色差的大小。測量結果見表7。

由表7可見，R300色差變化最大，達到感知大的程度，從實物看，樣品的上部20 mm顏色較深；MTEOS的色差變化最小；K02、21J、TD的色差變化處于中間位置，目測基本感覺不到。

表7 土樣加固后的色差

3.3 抗壓強度

抗壓強度試驗的目的在于：檢測土樣加固前后強度的變化，采用的儀器為南京土壤儀器廠生產的DW-1型電動應變式無側限壓縮儀。

土樣加固后的抗壓強度較空白都有所增加（表8），說明采用化學材料對土樣進行處理，可以提高土的內聚力，達到加固的目的。

表8 土樣加固后的抗壓強度 MPa

3.4 耐水能力

耐水能力試驗的目的是檢驗土樣經處理后耐受水分作用的能力，耐水能力強，在自然環境中既可抵抗液態水的浸泡，也可抵抗濕度變化造成的不利影響。

將加固劑處理過的土樣放入盛有水的容器中，觀察記錄試樣在水中的變化情況及發生的時間（圖4）。土樣耐水試驗結果如表9所示。

各種材料的試驗表明：①耐水試驗中MTEOS耐水能力最好，是因為聚合后的加固劑具有拒水能力；②R300的耐水能力也很好，但是它吸水；③3種非水分散體加固劑部分脫落，是因為加固劑滲透過程用量不夠。

表9 土樣耐水試驗結果

圖4 耐水實驗結果（來源：周雙林攝）

3.5 耐凍融能力

耐凍融試驗的目的是檢驗加固處理土樣的耐凍能力。土樣耐凍融能力強，經過這種材料處理的土體在自然環境中就有好的耐受低溫的能力，以避免結冰造成的破壞。

耐凍融試驗方法參照公路工程石料試驗規程中的抗凍性試驗（T0211—94）方法。在試驗中只記錄樣品形狀變化情況。

將處理過的土樣放在盛水（水溫在20℃）的容器中，土樣浸入水中4 h后取出。擦去多余水分，將飽水土樣置于-25℃的低溫冰箱中冷凍4 h后取出，此為一個循環；然后再放回20℃的水中4 h，再次進行冷凍（圖5）。多次循環并記錄，結果如表10所示。

表10 土樣耐凍融試驗結果

圖5 凍融實驗結果（來源：周雙林攝）

從表10可見，MTEOS的耐凍融能力最好，但是這種耐凍融能力的獲得是通過拒水獲得的。土體處理后是否應該具有拒水能力，現在還有爭論。

其他幾個樣品浸泡過程中都有吸水現象，其中耐凍融能力最好的是K02，上層的脫落在耐水試驗中就出現，這是因加固劑滲透不完全的結果，除此之外，經過5次凍融循環，只有部分表面出現脫落；而21J、TD的表面脫落較多；最差的是R300，這種材料加固的樣品經過一次凍融試驗已經出現縱裂，之后開裂不斷擴大，并出現表面脫落，經過5次凍融循環只殘留了中間直徑約25 mm的部分。

3.6 耐鹽能力

試驗方法參照工程石料試驗規程中的堅固性試驗（TO212—94）方法。

試驗方法：配制5%的硫酸鈉溶液，土樣先在此溶液中浸泡4 h，然后取出，拭去多余溶液，置于自然環境中風干，此為一個循環；然后再浸泡、風干；多次循環并記錄樣品形狀變化，結果如表11所示。

表11 土樣耐鹽試驗結果

從表11試驗結果可以看出：MTEOS耐水具有較好的耐鹽能力，其他幾種材料由于鹽結晶破壞嚴重，可見鹽結晶的破壞能力是很強的，幾種材料中，K02、TD的耐鹽能力比較好。

3.7 加固劑試驗室檢驗總結

根據多個項目檢驗的結果，可對幾種材料的可用性做如下評價。

(1)在幾種材料中，甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）的效果比較明顯，外觀上色差小，可提高土樣的抗壓強度，最為明顯的是其耐水性。由于這種材料固化后有拒水性，所以對其加固土樣進行的耐凍融試驗、耐鹽試驗效果雖好，但都不能說明問題。如果從固結能力上講，這種材料是可以使用的。其缺點是材料固化后柔性不好，自然條件的變化（如溫度的變化）造成的收縮膨脹容易使其破壞，當內部土體由于遇水而膨脹時，內外部會不協調，容易造成加固層脫落。另外，采用這種材料處理的土樣，增重大（約8.1 g）,增重多，堵塞土體內部孔隙多，不利于土體的透水、透氣。

(2)R300材料在幾個方面都不好，例如增重大（約10.8 g），顏色變化大，不耐水、不耐凍融等，所以對于草堂遺址的土體加固保護，建議不使用。

(3)3種非水分散體加固劑，在增重、顏色變化、抗壓強度增加等方面都好。K02在耐水、耐凍融等方面表現好，耐鹽能力也好，所以建議使用。TD、21J兩種材料由于加固時加固劑用量不足，致使樣品的耐水、耐凍試驗表現不好，出現上部脫落嚴重，但是剩余部分的耐水、耐凍融能力經過幾次循環，基本保持了原形狀，所以在材料用量充足的情況下可以使用。

(4)滲透速度方面，3種非水分散體加固劑的速度要高于兩種有機硅材料，例如在半小時內K02滲透到80 mm的深度，而兩種有機硅的滲透深度為58 mm。

(5)處理過程的安全性也需要考慮，兩種材料都需使用有機溶劑，故在施工中應注意安全。另外，采用MTEOS處理，還有毒性問題，應考慮嚴密的人身防護問題。

(6)根據以上所述，加固草堂遺址土體可選用的材料為K02，MTEOS。綜合指標K02好于MTEOS。

根據以上綜合考慮，建議將兩種材料在現場試驗，根據實地應用的效果，最終確定遺址加固所使用的材料。

4 加固劑實地試驗

按照文物保護的要求，實驗室選擇的材料需要在實地試驗，經過實地環境條件的考驗后，檢驗其實際應用效果并進行可行性分析后，才能大面積應用于文物上。

(1)K02的現場試驗：①遺址西北部關鍵柱西側，左半部分，高為60 mm，寬為50 mm，上部潮濕，使用濃度為1%的加固劑2 000 mL，時間約30 min；②遺址北半部東南角平臺的北側面，高為70 mm，寬為50 mm，使用濃度為1%的加固劑2 000 mL，時間約30 min，檢查滲透深度，為30 mm以上。

(2)MTEOS的現場試驗：①遺址西北部關鍵柱北側，右半部分，高為60 mm，寬為50 mm，上部潮濕，使用體積比為MTEOS∶乙醇=1∶1的加固劑2 000 mL，時間約為50 min；②遺址北半部東南角平臺的北側面，高為70 mm，寬為50 mm，使用體積比為MTEOS∶乙醇=1∶1的加固劑2 000 mL，時間約為50 min；檢查滲透深度，為30 mm以上。

加固完成3 d后，對加固效果進行了檢驗，兩種材料加固的試驗塊顏色沒有變化，K02處理的試驗塊在次日就有固結能力，觸摸不掉土，與未處理部分有明顯區別；MTEOS處理的試驗塊效果尚未顯示出來，因為這種材料需要一段時間才能固化。一月后檢驗，K02固結效果明顯，達到了預想效果；而MTEOS的試驗塊表面變化不大。

5 結束語

經過實地試驗，發現采用K02和MTEOS材料與配置濃度在草堂唐代遺址的試用，滲透速度高，滲透能力強，不改變色澤，具有可用性。從效果看，K02固結快，加固效果好，短時間內就有好的固結效果，是比較理想的材料；MTEOS的固化時間長，效果不明顯。