大型飽水木構件木屑干燥方法探索

摘 要：飽水木構件干燥方法是飽水木構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）遺址出土沉船木構件進行脫水干燥，從而對大型飽水木構件干燥方法探索。結果顯示木屑干燥在270日后完成；經PEG加固后，木材強度得到提高，在脫水后無明顯形變。二者相結合，對自然干燥過程中木構件的強度進行了保護，為大型飽水木構件脫水干燥提供了參考。

關鍵詞：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、無機鹽等環境因素的影響①。為保證文物短期安全，常將其置于與未發掘前類似的環境中，即飽水環境下保存。飽水狀態下的木質文物劣化速度放緩，但不利于長期保存②。為滿足保護、研究、展示的需要，沉船類木質文物需要在脫水的基礎上進一步保護修復，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牛角村，史料記載此區域內曾沉船34艘，目前考古發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，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傳遞，并伴隨應力-應變的不斷變化③。根據木質文物的尺寸、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、質量、保存時間等實際保存情況，本次采用木屑作為介質進行干燥，同時對于含水率大于400%的木材進行PEG加固脫水輔助干燥。監測干燥過程中考古木材水分的分布變化，可以預測木質文物的干燥速度，有助于及時調整干燥工藝。

1 樣品與方法

1.1 樣品概況

杭州海塘（臨平段）遺址的沉船木構件（圖2）大部分保存狀態良好，部分發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，部分構件上還有表面硬結物和微生物等污染物。針對沉船木構件的病害，對木構件表面進行清理、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，否則會產生木材結構損壞、吸濕性增大等問題⑤。沉船所處的古海塘，位于咸水、淡水的交界區域，其可溶鹽含量難以預測。對沉船木構件進行脫鹽處理時，可使用電導率儀進行監測，待脫鹽溶液的電導率穩定不再發生劇烈變動時，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，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間內，防止木構件因干燥應力產生較大的形變，同時保障了沉船整體的脫水時間。木屑作為介質在干燥環境與沉船間作為緩沖，能夠保障干燥過程相對穩定。

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構中；低分子量PEG雖然易滲透至木材組織內，但吸濕性強⑦。經PEG加固后的木材結構強度提高，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，需數月至數年，長期使用過程中會降解成酸性副產物，尤其在鐵元素存在的情況下，對木材本體產生較大損害；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量減少⑩，為保證木構件整體干縮情況，選用夾板等結構構件對含水率較高的大型木構件進行定型，后續定期觀察木構件表面脫水干燥狀況及監測含水率。

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生不同程度的干縮變形、翹曲開裂。為減小木質文物的形態變化，保存狀況較差的木質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，關鍵在于由于降解產生的孔隙被水分填充。因此可通過木構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，后續沉船脫水干燥過程中應根據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件實驗，實驗結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，可作為沉船木構件脫水干燥方法。

針對保存狀況較好且含水率低的木構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件采用PEG復合溶液滲透置換法及木屑覆蓋自然干燥法結合的方式進行脫水干燥。在干燥過程中應根據含水率遞減頻率選擇合適的監測方式對木構件進行監測，同時應在前期增加對木構件的監測次數。對于含水率較高的木構件后續在采用木屑覆蓋干燥過程中應采用夾具進行固定，防止木構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選用夾板等結構構件對含水率較高的大型木構件進行定型（圖3），后續定期觀察木構件表面脫水干燥狀況并監測含水率。

②將沉船木構件深埋于經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，需經高溫消殺后方能使用，使用前還需噴淋防腐劑進行木構件的防腐處理。

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

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

（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（質量比為3∶7）作為滅菌劑，以防止水分過速揮發及木質構件長霉。

②用比重計測試浸泡液比重值，連續三次測量比重穩定更換浸泡液，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，連續三次測量比重穩定更換浸泡液，使用40%的PEG4000溶液進行脫水加固；另加入0.5%硼砂和硼酸（質量比為3∶7）作為滅菌劑，以防止水分過速揮發及木質構件長霉。

④待木構件含水率降至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 結果與討論

2.1 結果

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

通過數據發現，大部分木構件干燥速率變化與實驗相似，前期干燥速率較大，于90日內基本完成大部分的脫水干燥，其后速度放緩?？傆嫺稍?70日后，木構件基本完成脫水干燥。木構件重量減輕，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。

此外還有部分木構件重量變化情況與實驗不一致。如脫水槽3內船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脫水木構件中含水率最小的，相較于脫水槽內其他木構件較低，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。經監測后對脫水槽整體進行調整，其后脫水速率回歸正常。

三個脫水槽內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（質量比為3∶7）作為滅菌劑，以防止水分過速揮發及木質構件長霉。在PEG加固脫水的同時監測PEG比重變化，確保PEG溶液的濃度，保證木構件的脫水加固效率。PEG加固持續90天，后續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。脫水完成后木構件整體未產生較大形變，可進行形制復原。

2.2 討論

對于大型木構件的脫水加固一直存在問題，受其體積、重量、數量等要素的局限，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，在介質上消除了化學反應產生的途徑，避免了潛在危害的產生m。因此為保障文物安全，常以物理干燥法作為大型木構件的主要脫水方法。其中冷凍干燥法、超臨界干燥法脫水效果較好，脫水裝置設備和工藝有過多次改良，但其成本及架設條件較高，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，因此尚未大規模推廣n。

而自然干燥法作為較為穩定的脫水方法，在脫水速率上有一定的優勢，但其在脫水過程中對木構件本體的保護較弱，可能造成孔隙率、木質開裂、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對木構件進行脫水干燥。經過處理的木屑與木構件不會發生反應，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干縮都在一定的范圍內。且木屑作為最接近木構件材質的脫水材料，對木材結構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，沉船木構件受到環境因素的影響較大。溫濕度的變化會影響到木屑，進而對脫水木構件產生影響。因此在脫水工藝實地操作的過程中，要確保環境監測，保障木構件在穩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，但在短期內對木構件的加固效果十分顯著。木構件儲存在細胞壁結構中的水分被去除后產生了孔隙，其質量下降，強度降低。而PEG通過置換填補了細胞壁中水分的位置，在保持細胞結構的同時加固了木材p。PEG脫水加固材料設備架設較為便利，同時處理后的木構件從結構、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件內部PEG分子量增大而降低q，因此可以在木屑干燥脫水的環境內架設，作為木屑干燥的補充手段。

從脫水干燥的實驗數據中發現，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件強度增加，在脫水干燥過程中未產生較大的形變，脫水干燥速率與未經處理的木構件保持一致。

3 結論

本次通過對海塘沉船木構件的脫水干燥工作，得出以下結論：

①木屑覆蓋自然干燥法輔以PEG加固法能夠針對大批量、大體積的沉船木構件進行脫水干燥，干燥后的沉船木構件變化較小，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。二者相結合，對自然干燥過程中木構件的強度進行了保護，為大型飽水木構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、損耗上具有優勢，為大規模木構件的脫水干燥提供了參考。

注釋

①李仁.“南海Ⅰ號”沉船飽水考古木材保存狀況的診斷評估研究[D].北京：北京林業大學，2022.

②華佳晨，王曉琪.國外飽水木質文物保護研究進展述評[J].文物春秋，2018（2）：3-10，29.

③孫敬，胡佳佳，吳昊.干燥環境下出土的木質文物矯形處理[J].江漢考古，2019（S1）：39-42.

④陳家昌，黃霞，陳曉琳，等.出土飽水木質文物的腐蝕病害類型與保護研究進展[J].材料導報，2015，29（11）：96-101，128.

⑤張月玲.我國海洋出水文物保護技術現狀分析[J].中國國家博物館館刊，2012（6）：133-139.

⑥劉東坡.PEG穩定河姆渡遺址出土香樟的干燥特性研究[J].文物保護與考古科學，2015，27（2）：13-18.

⑦程麗臻.PEG復合液脫水加固定型出土飽水殘損漆木器及整形修復[J].中國文物科學研究，2010（4）：27-30.

⑧韓劉楊.小白礁Ⅰ號沉船飽水·脫水加固木材的結構與性能研究[D].北京：中國林業科學研究院，2020.

⑨LIPKOWITZ G，HENNUM K S，PIVA E，et al.Numerical Modelling of Moisture Loss during Controlled Drying of Marine Archaeological Wood[J].Forests，2021（12）：[頁碼不詳].

⑩趙紅英，王經武，崔國士.飽水木質文物的理化性能和微觀結構表征[J].東南文化，2008（4）：89-92.

k胡東波，胡一紅.考古出土飽水木器的腐朽、收縮變形原理[J].文物，2001（12）：80-85.

l陳華鋒，陶靜姝.一種飽水木質文物含水率無損檢測方法的研究[J].文物保護與考古科學，2020，32（3）：58-64.

m汪嘉君，張治國.飽水考古木材保存狀況評估、加固和干燥方法研究進展[J].木材科學與技術，2024，38（1）：23-31.

n盧衡，張紹志，劉東坡，等.出土、出水飽水木質文物冷凍干燥研究進展[J].文物保護與考古科學，2020，32（6）：126-137；江旭東.超臨界干燥技術原理及其在飽水木質文物中應用[J].江漢考古，2014（S1）：104-109.

o吳夢若，秦振芳，韓劉楊，等.飽水木質文物脫水加固材料與方法概述[J].中國文化遺產，2022（2）：84-93.

p趙陽，張瓊，李秋衛，等.飽水木質文物脫水材料乙二醛聚合程度研究[J].東方收藏，2021（11）：72-73.

q張紹志，蔣青，劉東坡，等.木質文物PEG浸滲處理的實驗研究[J].中國文物科學研究，2016（1）：63-67.