古建筑木构件和木质文物的保护方法

木质文物一般是指古代遗存下来的木竹制品,从战船、佛像、棺材、墓葬,到木竹、竹简等工艺品。事实上,在世界上独一无二的中国古建筑中,形式丰富、结构奇特的木质构件也被视为木质文物。中国古建筑经过数千年的发展,具有很高的文物、历史和艺术价值。它不仅是中华民族的宝贵财产,也是世界建筑艺术的瑰宝。

木结构是中国古代建筑中常用的一种体系。它可以追溯到几千年前,被称为世界上五个最古老的建筑体系,包括古埃及、古两河流域、古印度和古爱琴海文化。木制文物具有丰富的历史和艺术性,充分反映了中国古代劳动人民的智慧,代表了不同历史发展阶段的特点,为历史研究提供了强有力的物证。木竹简则直接为人们提供了可靠的历史文献。因此,研究和保护现有的研究和保护对弘扬民族文化和历史研究非常重要。

木材作为一种天然生物质材料,耐久性差,易受腐朽菌、昆虫等自然因素(物理、化学、生物损伤)的侵蚀,降低木材强度,直至完全损坏。此外,战争或人为破坏等社会因素也会对文物造成破坏。科学处理木质文物,避免木材损坏,延长文物使用寿命。保护木质文物是文物界的一个特殊而重要的课题。此外,合理利用这些文物可以获得巨大的社会经济效益。

古建筑木构件和木质文物的保护方法  第1张

1、木材的化学成分和天然结构

木材是由聚合物和低分子材料组成的天然材料。木质细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,约占木材重量的97%~99%。主要成分包括盐、可溶性多糖、苯酚、萜烯、蛋白质等化合物。木材的微观结构表明,木材是一种多孔材料,因此具有许多生物质材料的共同特点,如水变化引起的吸湿现象,容易遭受生物腐蚀和降解破坏,材料和树种的差异也使木材文物的保护方法不同,因此这些木材的基本特性也决定了木材文物保护的独特性和复杂性。

二、影响木质文物保护的因素

影响木质文物保护的因素很多,主要分为生物损害、物理损害和化学损害。

1.生物损伤

(1)动物损伤。蛀虫是指能在干木中生长繁殖的甲虫,如天牛、长甲虫、小甲虫、小甲虫、粉甲虫、象鼻虫和长甲虫。蛀木甲虫对木材的危害主要是它的幼虫。幼虫从卵孵化后蛀入木材,在木材中取食生长,腐蚀各种大小不同的孔,排出粉末或锯屑。孔道和蛀虫的形状是识别不同害虫的重要依据。蛀木害虫还包括一种特殊的害虫白蚁。白蚁是热带和亚热带地区的主要木材害虫。由于其种类繁多、数量大、蛀虫隐蔽,经常对古建筑和木材文物造成破坏性破坏。白蚁是我国长江以南各省、区应特别注意的一种害虫。海生蛀木动物包括船蛆、海笋和蛀木虱。它们通常生活在浅海中,将浸泡在海水中的木材腐蚀成不同尺寸的孔。在严重的情况下,木材会在海浪的冲击下损坏。海上的木质沉船有时会受到海生蛀木动物的破坏。通常,木材的生物损伤往往是破坏性的。因此,在保护木质文物时,应采取必要的防虫防腐措施。

(2)微生物损伤

1)真菌。木腐菌是木材中最重要的植物损伤,其中一种是真菌,其形状是担子菌(Bosidiomyceten)主要木腐菌可分为棕腐菌、白腐菌、软腐菌和变色菌。木质文物中常见的木腐菌类型,如棕腐菌和白腐菌,可降解木材,降低其材质,变色菌主要改变木材的颜色。

褐腐菌能分解木材的多糖,降解纤维素和半纤维素成分,提高木质素成分,使腐烂的木材呈褐色。白腐菌同时分解多糖和木质素,以白色腐烂材料命名。软腐菌可以大大降低木纤维素的强度。它以木材薄壁组织的糖和淀粉为营养,横向穿透细胞壁,导致木材软腐。木材受到变色真菌、细菌等微生物的影响,会导致微生物变色。真菌丝的颜色导致木材颜色的变化。

2)细菌。细菌对出土的木质文物有很大的影响。与木腐菌相比,细菌对木材的损害要轻得多。细菌只侵蚀细胞壁成孔,细菌和真菌同时受到伤害,加速了木材的降解。细菌生命力顽强,即使在真菌无法生存的缺氧环境中也能生存。南京博物馆分析奠定了明泗阳汉墓埋藏环境中的土木细菌种类,发现丁香假单胞菌、自养水螺菌、肠杆菌、魔芋酸菌、过滤弧菌、假单胞菌等细菌种类。细胞的形状主要有短杆、球形、杆状等。

2.物理损伤

(1)物理损伤。此外,气候、声音、光等物理因素也会导致木材的变化,但一般不是单一物理因素的作用,往往是物理、化学和生物因素综合作用的结果。x、r射线可以稍微改善木材的性质。然而,当剂量较大时(如100KGy)会降解木材表面,变暗,降低强度,变脆易碎。

(2)含水量。古代木材文物的含水量一般保持在较高水平,含水量越高,木材吸湿过程越快。因此,在不受保护的极端情况下,木材的干收缩会导致整个木材的破坏,因为木材细胞和细胞之间的结合已经完全破坏,这种细胞水平的破坏是不可逆转的。

3.化学损伤

各种酸、碱盐溶液、金属和气体都会对木材产生影响,严重时会对古建筑和木质文物造成不可逆转的破坏。碱、酸溶液对木材的影响及树种、酸碱的种类、浓度、pH工作时间与温度有关。碱溶液使木材在早期膨胀,然后分解木聚糖。在长期的作用下,它将大大降低木材的机械强度和抵抗生物损伤的能力。酸溶液早期膨胀木材,然后水解木材多糖,降低机械强度,长期作用可完全破坏木材结构。此外,盐、金属和气体对木质文物的损害也转化为酸碱作用于木材。

古建筑木构件和木质文物的保护方法  第2张

三、木质文物保护的物理处理方法

1.控制含水量

木材中水分重量占木材干燥重量的比例称为木材含水量。它是木材非常重要的物理性质。含水量影响木材的膨胀、密度、电学和热学性能和力学性能,对木材的防腐和加固尤为重要。出土木制文物保护的首要任务之一是在保持文物形状的前提下,尽快将稳定的物质注入木材中,使木材保持较高的含水量。当木材含水量在80%~100%以上时,可以保证木材不受木腐菌和害虫的伤害,即一种有效的原木保存方法。

此外,当木材含水量低于并保持在20%以下时,一般木材也可以避免腐烂和蛀虫。因此,在木质建筑维修现场施工中,含水量低于20%的木质构件[4]应构维修加固技术规范》的要求,选择含水量低于20%的木质构件[4],否则会形成油闷现象。

2、物理防腐

由于在一些古木文物和建筑的保护和修复中,木材防腐剂的使用受到限制或不允许,使用物理方法也可以消除木材害虫。利用离子化能照射有害生物,防止有害生物传播或杀灭。因其无毒、无害、无污染、不影响文物质量、安全等优点,在检疫中具有广阔的应用前景。常用的离子化能有γ-射线、X-射线、微波、红外线、可见光和紫外线等。消灭木材害虫的各种物理方法实用性差异很大,大量的文献和不同的实验证明了γ射线能有效杀灭不同发育阶段木材害虫的虫体。γ射线害虫死于代谢紊乱。X由于木材的过滤,射线不能有效地杀死木材害虫,高频、超高频电磁波和超声波的应用也逐渐得到广泛应用。

近年来,几种非毒性杀虫方法开始应用和发展,以寻求有毒气体熏蒸和有毒液体杀虫剂的替代方法。这些方法是冷冻、加热、二氧化碳熏蒸和低氧处理。由于木材害虫幼虫对木材温度的升高非常敏感,热空气加热也能有效地杀死木材害虫。此外,冷冻也会使害虫无法正常发育。实验证明,低氧法可以达到杀虫剂所需的低氧浓度。阳光处理可使木质文物的核心部分达到55℃,保持足够的时间杀死害虫。但目前还没有找到控制内部空气温度和湿度过高的方法。到目前为止,该方法仅推荐用于处理表面无漆、无金饰的木质文物。

三、生物防治法

生物防治法是一种非物理方法,是指利用生物或生物技术消灭有害生物的方法,如用昆虫治疗昆虫、用生物治疗昆虫等。生物防治不使用有毒物质,可以避免环境污染,但文明保护的应用并不多。目前,已证明二氯苯醚菊酯、三氯杀虫酯、杀菊酯、氯菊酯、氟氰菊酯对白蚁防治有效,杀菊酯和二氯苯醚菊酯对木甲虫防治有一定的作用。

四、木质文物保护的化学处理方法

1、化学防腐

防腐剂是指能保护木材免受细菌、昆虫等生物损伤的化学物质,一般含有杀菌或杀虫剂。防腐剂分为无机和有机两类,主要是水溶性盐。常见的有CCA、CCB、CCF、FCAP、BBF、BBP和ACQ。有机药物可分为油和油溶性(有机溶剂型)药物,常见的有煤焦油、五氯酚、环烷酸酮、8-羟基喹啉酮、三丁基氧化锡(TBTO)和唑类化合物。现在使用几种不同成分的复合剂,以提高性能和疗效,如TBTO与煤焦油1∶混合或加入五氯酚可以大大增强其毒性。硼汽相处理是一种基于传统木材防腐处理技术的新处理方法。它不依赖溶剂,而是使防腐剂的有效成分直接进入木材。该方法使木材在硼蒸汽中(使用三甲基硼),含硼气与木材中的水分结合产生硼酸,作为木材中沉积的木材防腐剂。

吸入量和渗透性直接反映了木材文物的防腐处理质量,木材的渗透性和含水量与木材的防腐处理效果密切相关。树种不同,木材的自然渗透性差异很大,木材的渗透性直接影响木材对药物的吸收。防腐处理应确保吸药量高于处理后木材中基本保留的有效剂量要求。渗透性检测是实现防腐处理质量控制的重要手段,一般采用化学显色法测定防腐剂渗透性。有些试剂可以与防腐剂中的某些元素发生显色反应,可以表示为防腐剂的颜色。

古建筑木构件和木质文物的保护方法  第3张

2.熏蒸剂处理

熏蒸剂是一种低沸点药剂。熏蒸法是利用一定浓度的有毒气体在密封环境中杀死害虫的方法。由于木材特殊的致密环境,熏蒸木材中的害虫和木腐菌没有预防作用,一般熏蒸后应辅以防虫和防腐剂。

熏蒸是目前常用的化学处理方法。经过测试和比较,相关专家认为,由于对文物本身的损害最小,只有溴甲烷、硫酰氟和环氧乙烷和环氧乙烷。溴甲烷是一种常见的木质文物熏蒸处理化学物质(CH3Br)、硫酰氟(SO2F二、环氧乙烷((CH2)2O)等等,熏蒸处理要求熏蒸剂在一定温度和压力下保持足够高的气体浓度,通常使用浓度和时间乘积(CT值)来衡量。为了更好地提高熏蒸效果,国内外主要从两个方面进行改进:一方面,增加熏蒸剂可以减少熏蒸剂的用量;另一方面,改善熏蒸条件,确保熏蒸场所的密封性,不断探索减压、真空、环流、混合气体等新的熏蒸方法。近年来,熏蒸剂也成功用于文物古建筑的杀虫剂和超大型木质文物的保护,如北京颐和园排云厅、承德普宁寺金漆木佛的熏蒸,取得了良好的效果。

(1)溴甲烷处理(Fumigationwithmethylbromide)

溴甲烷能使疏基类(-SH)化合物烷基化严重破坏了细胞的正常生化反应。溴甲烷熏蒸不仅可以杀死各种各样的各种害虫、螨虫、软动物和线虫,甚至可以杀死一些真菌、细菌和病毒。

(2)硫酰氟处理(Sulfurylfluoride)

硫酰氟也是国际熏蒸处理中常用的药物之一。随着《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》中溴甲烷的进一步发展,硫酰氟作为新一代广谱熏蒸剂(臭氧消耗值为0)的应用前景将更加广阔。硫酰氟会破坏生物体内磷酸盐的平衡,抑制氧气的吸收,阻断昆虫体内储存脂肪的代谢,因无法获得生存所需的足够能量而死亡。

(3)环氧乙烷处理(EthyleneOxide)

在国内文物保护领域,中国文物保护科学技术研究所(现中国文化遗产研究所)首次开展环氧乙烷灭菌和废气处理研究。20世纪80年代初,故宫扩大了试验规模,并引入了实际阶段。环氧乙烷一般压缩成液体,与二氧化碳或氟利昂混合,混合比为1∶9。其能破坏DNA核酸阻碍病虫害参与正常的生化反应和新陈代谢。

3、化学加固

木材可以通过化学加固,防止细菌、昆虫和机械损坏,有效提高木材的强度、尺寸稳定性、防腐和抗虫性。化学加固技术在古代建筑维护和木材文物保护中发挥着重要作用,加固剂也分为无机化合物和有机化合物两类,大量无机化合物是一些盐,易溶于水,主要用于保护湿材料,主要是铝化合物(Al2(SO4)3·18H2O),硫酸铝钾(俗称明矾)KAl(SO4)2·12H2O)和硅化物等。有机化合物包括低分子和高分子化合物,主要用于纤维饱和点以上含水量的潮湿木材的加固,天然胶、油、油、蜡、树脂、虫胶和樟脑、多元醇和糖、纤维素衍生物、甲醛、甲醛树脂、酮树脂、聚乙烯化合物、苯乙烯、聚酯树脂、丙烯和甲基丙烯化合物、环氧树脂、聚酰胺、聚氨酯、有机硅化合物和含硫塑料。聚合物有机化合物是世界上广泛使用的加固剂,在古建筑维护和木质文物保护中发挥着重要作用。

常用的固化方法有真空法、热(催化)固化法和光化学法(辐射固化法)。冷冻干燥法是处理潮湿木材的常用方法。它可以最大限度地减少潮湿木材干燥过程中的开裂和变形。有时也可作为加速药剂溶液浸泡木材的固化方法。浙江余姚河姆渡遗址出土的木质文物含水量为20%~60%。该方法成功解决了河姆渡遗址出土的大型饱水木质文物脱水成型问题。需要注意的是,如果脱水加固的木器不注意保存条件,长时间后仍会收缩变形。因此,木器的室内温度应为18~25℃,最好在55%~65%之间浮动相对湿度。河北古建筑保护研究所研究了古建筑木结构加固的阻燃技术,先获得坚固的基材,然后用特殊的阻燃剂覆盖加固层,使易燃木材难燃。最后,添加密封剂以增强抗老化能。南京博物馆以乙二醛、尿素为主要原料,以乙醇、聚乙烯醇等多元醇为改性剂合成的饱水木文物脱水加固材料,可对变色木文物进行脱色处理,使处理后的文物颜色得到很好的恢复。降低木材的吸湿性,有效控制收缩率。

木质文物保护采用无损检测技术

在维护和保护古建筑木结构时,需要在维护前评估建筑木结构的保存程度、可靠性和安全性。这一要求可以通过使用无损检测技术来检测木构件的残余强度和木构件的内部缺陷位置来实现。为了加强对古树名木的保护,还必须在不破坏其生长和造成新灾害的情况下,对古树内部缺陷进行无损检测。木材腐烂是古建筑木材构件中最常见的安全隐患。有些腐烂发生在木材中,给古建筑的维护带来了一些困难。通过运用先进的无损检测技术对木质文物的状况进行调查、评价和分析,可以准确获取文物的损坏信息,防患于未然,尽快对文物实施相应的保护和处理措施。

目前,在我国古建筑维护和古树保护中,最方便的无损检测技术是用肉眼观察和锤子敲击,判断木结构部件是否空洞或腐烂,然后确定是否需要更换。对于一些结构复杂的木质文物,为了为古建筑的维护提供科学依据,可以使用声应力波或超声波(应力)波,通过应力波学依据。应力波技术是木材无损检测最常用的方法之一。其它无损检测技术有电学方法,γ-射线、X-射线。常用的仪器有木阻抗测定仪、应力波测定仪、超声波测定仪和Pilodyn检测仪。

六、结语

文物集高历史价值、高艺术价值和高自身价值于一体,所以我们必须谨慎对待每一件文物。在采取任何保护措施之前,必须进行有针对性的实验,以确保安全。木质文物的保护是一项复杂细致的工作。由于木材材料本身的特殊性,可以说保护每一件具体的文物都是一项新的工作。因此,文物保护工作者必须不断学习文物知识,努力提高操作技能,真正做好木质文物的保护和处理。

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