嘉峪關魏晉墓青磚滲透加固工藝

摘 要：嘉峪關魏晉墓作為中國西北地區磚構墓葬的典型代表，其青磚結構的保存狀況直接關系到文化遺產的完整性和歷史價值。文章針對嘉峪關魏晉墓青磚的保存現狀，提出了一套科學的滲透加固工藝。該工藝主要包括青磚表面的預處理、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定性，延長其使用壽命，為文化遺產的保護提供技術支持。研究結果表明，經過滲透加固處理的青磚，其結構強度和抗風化能力均得到了明顯提升，為類似文物的保護提供了有益的參考。

關鍵詞：青磚；滲透加固；工藝

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

嘉峪關魏晉墓考古資料顯示，已清理發掘的18座古墓葬都是由長方形青磚錯縫干壘構建的，磚塊之間未使用任何黏合劑。由于青磚自身缺陷及環境因素與人為活動的長期影響，目前對外開放的六號墓和做研究監測用途的七號墓的部分青磚出現了裂隙、酥堿、微生物侵蝕等病害，對墓室的穩定性構成了威脅。因此，為了確保墓室結構的完整性和安全，對這些病害進行及時有效的處理顯得尤為重要。本文將詳細探討青磚病害的類型與成因，并提出相應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，結合化學和物理原理，制訂出一套科學合理的滲透加固方案。該方案不僅能夠改善青磚的耐候性，還能增強其結構強度，從而為嘉峪關魏晉墓的長期保護和研究提供堅實的技術基礎。

本工藝應用對象為無彩繪的素面青磚。

1 嘉峪關魏晉墓青磚材料特性分析

1.1 青磚的礦物組成

嘉峪關魏晉墓青磚主要的礦物組成為：石英、方解石、石膏和少量長石礦①。青磚的化學成分分析顯示：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度；石膏的加入可能與磚體的成型工藝有關，它有助于磚體在燒制過程中形成均勻的結構；長石礦的少量存在則可能對青磚的熱膨脹系數和抗壓強度有所貢獻。對這些礦物成分的綜合分析，為后續青磚滲透加固材料的選擇和制備提供了科學依據。

1.2 青磚的物理特性

青磚作為嘉峪關魏晉墓的重要建筑材料，其物理特性對于墓葬的保存具有決定性影響。其密度、吸水率、抗壓強度等物理指標，直接關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，無側限抗壓強度為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境中容易吸水膨脹，導致裂紋和酥堿現象的發生。其抗壓強度雖然滿足一般建筑需求，但相對于其他類型的磚石材料，其強度較低，游客參觀時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部結構的均勻性，波速的高低與青磚的密實度和內部缺陷有關。微觀形貌的片層狀結構表明青磚在微觀尺度上存在一定的層間弱界面，這可能是導致青磚在長期使用過程中出現剝落和斷裂的原因之一。

2 青磚病害類型與成因

2.1 裂紋

裂紋是青磚結構中最常見的病害之一，指骨磚表面出現的具有一定長變、寬變或深度的線性開裂現象。其形成原因復雜多樣。自然老化、溫度變化、濕度波動、土壤壓力以及人為破壞等因素都可能導致青磚出現裂紋。裂紋不僅影響青磚的外觀，還可能進一步導致結構強度的下降，增加青磚的破損風險。

2.2 剝落

剝落是指青磚表面的材料逐漸脫落的現象。剝落的產生通常與青磚的制作工藝、原材料質量以及外界環境因素有關。例如，青磚在燒制過程中若溫度控制不當，會導致磚體內部應力不均，從而在使用過程中出現剝落。此外，酸雨、鹽類結晶等化學侵蝕也會加速剝落過程。

2.3 斷裂

斷裂是指青磚因承受過大的外力或內部應力而產生的完全或部分分離。斷裂的青磚失去了原有的結構穩定性，嚴重時甚至會導致整個墓室的坍塌。斷裂的成因可能包括青磚本身的質量問題、長期的物理磨損及地震等自然災害，以及不當的使用和維護。

2.4 酥堿

酥堿是指青磚表面或內部的堿性物質在外界環境作用下，逐漸溶解并析出的現象。酥堿不僅影響青磚的外觀，還會導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境條件密切相關。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，鹽類結晶在磚表面或內部形成，反復的溶解和結晶過程會逐漸破壞青磚的結構。

2.5 微生物侵蝕

微生物侵蝕是指細菌、真菌等微生物在青磚表面或內部生長繁殖，導致青磚結構和化學性質發生變化的現象。微生物的生長需要適宜的溫度、濕度和營養物質，而青磚的多孔結構恰好為微生物提供了良好的生長環境。微生物侵蝕不僅會改變青磚的顏色和質感，還可能通過生物化學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 化學原理

滲透加固技術主要依賴于化學反應，通過特定的化學物質與青磚內部的成分發生反應，從而達到加固的目的。例如，使用功能化石墨烯增強有機硅復合乳液作為滲透劑，這種復合乳液能夠與青磚中的硅酸鹽和鋁酸鹽成分發生交聯反應，形成穩定的三維網絡結構。這種結構不僅增強了青磚的機械強度，還提高了其耐水性和抗風化能力。通過化學反應，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，從而有效填補了青磚內部的微裂紋和孔隙，進一步提升了青磚的整體性能。

3.2 物理原理

在嘉峪關魏晉墓青磚的滲透加固工藝中，物理原理的應用是確保加固效果的關鍵。滲透加固技術主要依賴于毛細作用和擴散作用，使加固材料能夠深入青磚內部，與磚體的孔隙結構發生物理或化學反應，從而提高其強度和耐久性。例如，通過毛細管作用，加固劑可以被引導進入青磚的微小孔隙中，填充并加固這些微結構。

4 青磚滲透加固材料選擇與制備

4.1 材料選擇

安立紅、喬榛等人通過實驗驗證了功能化石墨烯增強有機硅F-G@IBTS復合乳液在嘉峪關魏晉墓青磚滲透加固實驗中的良好性能。研究結果表明，經F-G@IBTS復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 °，同時吸水率大幅下降，從18.69%降至1.89%。該復合乳液能深入青磚內部，形成厚度達2.48 mm的堅固保護層。此外，該材料展現出卓越的耐候性和化學穩定性，有效抵御了水分和鹽分的侵蝕，從而顯著延長了青磚的使用壽命。基于此，本研究選取功能化石墨烯增強有機硅F-G@IBTS復合乳液作為嘉峪關魏晉墓青磚滲透加固工藝研究的關鍵材料。

4.2 材料制備

①功能化石墨烯制備。

使用硅烷偶聯劑γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）對石墨烯納米片進行表面功能化改性。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行攪拌，使稀鹽酸（0.1 mol/L）調節混合液pH至4.0左右，繼續攪拌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-G）③。

②功能化石墨烯增強有機硅材料制備。

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進行混合，混合后使用高速乳化機持續攪拌15 min得到功能化石墨烯增強有機硅F-G@IBTS復合乳液④。

5 青磚滲透加固施工工藝

5.1 施工準備

在施工準備階段，首要任務是進行詳盡的現場勘查與數據收集。通過精確測量墓室的尺寸、青磚的排列方式及破損狀況，確保后續工作的精準性。同時，依據《文物保護工程管理辦法》及國內外相關成功案例，制訂詳盡的施工計劃與安全預案。借鑒敦煌莫高窟壁畫修復的經驗，要特別注重施工過程中的環境控制，確保溫濕度、光照等條件符合青磚保護要求，避免二次損害。在施工材料準備方面，嚴格篩選符合青磚保護標準的清潔劑、加固劑及防護材料。特別是針對青磚文物的特殊材質，采用低毒性、高滲透性的環保型材料，以減少對青磚文物的潛在影響。為確保材料質量，應進行多輪次的實驗室測試與現場試驗，確保其在不同環境下的穩定性和有效性。此外，還應組建由文物保護專家、工程師及技術人員組成的專業施工團隊，提前準備現場施工所必需的儀器、設備。

5.2 青磚表面預處理

青磚表面可能附著鹽類結晶、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行初步清理，清理前需對處理區域邊界進行適當保護，以防止清理過程中產生的污水和泥漬對未處理區域造成污染。去離子水的使用應嚴格遵守操作規程，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30 min后去除保鮮膜，并使用毛刷對污染物進行徹底清洗。第三步，執行熱蒸汽清理步驟，根據基材的實際溫度調節蒸汽溫度至約40 ℃，調整蒸汽清洗機噴頭的噴射面積至試驗區面積的一半左右，噴射角度可以控制在60～90 °，調整操作距離控制在15～20 cm。清洗作業應從試驗區中心開始，向外呈圓形擴展，確保蒸汽與基材表面充分接觸。清洗時間和溫度應根據實際清洗效果進行適當調整，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。清掃時應順著一個方向進行，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，配備軟質吸頭，將吸頭貼近青磚表面，緩慢移動，吸除較細小的灰塵。第三步，準備干凈、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，再次仔細檢查是否還有殘留的浮塵。如有必要，可重復上述步驟進行進一步的清理。

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，避免使用強力的吹掃或吸塵設備，以防對青磚造成損害。第二步，軟化松散層。進行熱蒸汽清理，調節蒸汽溫度，控制在40 ℃左右，調整蒸汽清洗機噴頭噴射面積至試驗區面積1/2左右，噴射角度可以控制在60～90 °，調整操作距離控制在15～20 cm，由正中間成圓開始清洗、依次向試驗區外圍移動、保證蒸汽與基體有充分的接觸面，清洗時間及溫度依實際清洗效果調整，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。操作時要極其小心，盡量沿著青磚的紋理方向進行，避免對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，進行“杜邦刷+去離子水清理”，操作前應對區域的邊界進行保護，避免清理過程中產生的污水泥漬對未處理區域造成污染。去離子水應嚴格遵照相關操作規程要求（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，進行熱蒸汽清理，依據基材實際溫度調節蒸汽溫度，控制在40 ℃左右，調整蒸汽清洗機噴頭噴射面積至試驗區面積1/2左右，噴射角度可控制在60～90 °，調整操作距離控制在15～20 cm，由正中間成圓開始清洗、依次向試驗區外圍移動、保證蒸汽與基體有充分的接觸面，清洗時間及度依實際清洗效果調整，禁止過度清洗。

5.3 滲透加固施工

第一步，對需要加固的青磚表面進行徹底清潔，使用美術刷和無塵布對所有待加固區域進行細致的清潔，過程中必須小心操作，以免對青磚本身造成損害。第二步，執行滲透加固程序，取用事先搖勻的石墨烯增強型有機硅F-G@IBTS復合乳液，利用噴壺將加固劑均勻噴灑在青磚表面，確保涂覆區域連續噴灑，讓青磚充分吸收加固材料。在整個加固過程中，必須維持青磚表面保護材料的濃度，避免在保護結束前出現干燥區域。當表面加固液達到飽和狀態后，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，需要重復涂覆3～5次。第三步，進行涂層致密性檢測，利用顯微鏡和卡斯滕瓶檢查涂層的致密性，并對發現的缺陷區域進行補刷處理。

6 效果評估

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

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研究[J].新型建筑材料，2024，51（8）：38-43，56.