試論紅砂巖幕墻清潔與保護對紅砂巖文物保護的借鑒作用

摘 要：南越王博物院主體建筑的紅砂巖外掛幕墻與院內(nèi)兩處不可移動紅砂巖文物具有類似的石材自然屬性。文章以紅砂巖幕墻清洗和保護的實踐為例，通過運用滲透型有機硅石材保護液在巖石防水、防污方面所起的作用，對遭受一定程度污染的紅砂巖進行清洗保護。項目竣工三年后的評估檢測顯示，石材保持了良好的清潔面貌和防水性能。文章旨在探討紅砂巖幕墻清洗和保護的材料與工藝，為紅砂巖石質(zhì)文物保護提供有效的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：紅砂巖；保護；有機硅

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.16.015

紅砂巖在廣東境內(nèi)分布廣泛①，大量應(yīng)用于古建筑、墓葬、石刻等多種遺存，又因開采加工容易、色澤鮮艷，常用于近現(xiàn)代建筑基礎(chǔ)和外墻。廣州的鎮(zhèn)海樓、五仙觀、赤崗塔、琶洲塔、蓮花塔等古建筑，其墻面、柱基或石磚均為紅砂巖。西漢南越文王墓墓室、南越國宮署曲流石渠遺址的渠壁都是以紅砂巖構(gòu)建的。廣州兩千年歷史文化的傳承載體，依托南越文王墓、南越國宮署遺址建設(shè)而成的南越王博物院也采用紅砂巖材質(zhì)作為建筑幕墻，新建幕墻與文物之間具有一種直接的關(guān)聯(lián)性。受制于石材自身材質(zhì)特點及自然和人為因素的影響，南越王博物院里無論是古代還是現(xiàn)代的紅砂巖石材，均面臨著不同程度的破壞和損失。如何保護好這些紅砂巖成為博物館工作中重要且迫切的問題。

南越王博物院王宮展區(qū)（原南越王宮博物館）展覽和保護廳于2010年興建，2014年完工對外開放。十年來紅砂巖石材建筑外墻不同部位出現(xiàn)面積或大或小的微生物病害、表面污染與變色，其分布范圍及輕重程度存在著較為復(fù)雜的情況。為處理紅砂巖墻體微生物病害和墻體變色等問題，2011年起南越王宮博物館對建筑墻體進行了數(shù)次清洗與試驗研究，收集了一批原始數(shù)據(jù)。2021年，南越王博物院與廣州市白云文物保護工程有限公司合作，開展“南越國宮署遺址保護范圍內(nèi)環(huán)境整治項目”，對建筑外墻進行清洗保養(yǎng)維護，采取多種科技手段，有效地遏制污染物的滋生和發(fā)展，降低紅砂巖幕墻的污染和風(fēng)化速率，防止紅砂巖幕墻進一步損壞。

由博物院保護和管理的不可移動紅砂巖文物也存在不同程度的風(fēng)化和污染病害，若要在文物本體上使用新的材料或工藝，需經(jīng)過嚴(yán)格的試驗和論證。本文分析探討“南越國宮署遺址保護范圍內(nèi)環(huán)境整治項目”采用的工藝、材料及保護技術(shù)措施，對紅砂巖石質(zhì)文物保護可起到的參考借鑒作用。

1 紅砂巖石材的風(fēng)化與病害

紅砂巖主要由石英構(gòu)成，因包含鐵的氧化物（如赤鐵礦等）而呈現(xiàn)紅色。紅砂巖的巖性特征是呈片狀分布、較疏松、吸水率大，水分與可溶鹽容易在其中遷移，水對紅砂巖的侵蝕及軟化作用較強。經(jīng)檢測，可溶鹽主要種類為硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物，其主要來源有巖石本身、酸雨、酸霧、地下水。廣州地下水資源豐富，臨近南海，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，春、夏季降雨較多，秋、冬季降雨較少，四季潮濕、干燥交替。紅砂巖結(jié)構(gòu)松散，在這種水文、氣候條件下，經(jīng)反復(fù)吸水失水循環(huán)、冬季失水后，可溶鹽在循環(huán)重結(jié)晶過程中反復(fù)產(chǎn)生應(yīng)力，壓迫巖石孔隙壁，使其碎裂酥粉，最終導(dǎo)致紅砂巖產(chǎn)生酥堿、粉狀脫落及片狀脫落等風(fēng)化現(xiàn)象②。風(fēng)化后的紅砂巖出現(xiàn)了更大的孔洞、斷層等，整體性、穩(wěn)定性均下降。且形成的孔洞使水分和可溶鹽更易在其中遷移，又為微生物的生長提供良好條件，微生物或苔蘚類也隨之吸附生長，形成微生物病害，加速了紅砂巖文物風(fēng)化，形成惡性循環(huán)。

1.1 南越王博物院紅砂巖幕墻風(fēng)化與病害狀況及原因

南越王博物院王宮展區(qū)紅砂巖幕墻于2010年安裝完成，其石板外表面為粗糙凹凸紋理。通過較全面現(xiàn)場勘測，發(fā)現(xiàn)的問題有：

①微生物病害③。紅砂巖墻體表面的微生物主要包含霉菌、苔蘚等。微生物的侵蝕作用加速了紅砂巖墻體的風(fēng)化，對建筑的安全和壽命產(chǎn)生影響。

②表面污染變色。大氣中的灰塵、微生物死亡后的“殘骸”吸附在墻體表面，導(dǎo)致紅砂巖墻體表面發(fā)生變色，影響了紅砂巖墻體的外觀。

③裂隙。紅砂巖幕墻受雨水的沖刷和風(fēng)化作用，磚與磚之間的灰漿大量流失，影響了墻體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致墻體局部開裂。

④表面粉化、剝落。外力擾動、水鹽破壞、溫度周期變化等導(dǎo)致紅砂巖表面酥粉，表層片狀、板塊狀剝落。

經(jīng)過較長時間的監(jiān)測分析，我們初步認為導(dǎo)致紅砂巖幕墻風(fēng)化與病害的主要因素有以下幾個：

①雨水?dāng)y帶灰塵黏附于石材表面，紅砂巖石材較高的吸水率加速了污染的進程。

②酸雨的作用。酸性雨水的侵蝕導(dǎo)致紅砂巖吸水后晶胞膨脹、失水時晶胞收縮，干濕變化會加速其風(fēng)化，導(dǎo)致紅砂巖強度降低、表面更加粗糙，部分原本就有缺陷隱患的石材出現(xiàn)開裂、破損，吸水性進一步增加，污染更加嚴(yán)重。

③干濕的影響。紅砂巖內(nèi)部含大量蒙脫石一類的黏土礦物，可吸收大量水分，吸水后晶胞膨脹，失水時晶胞收縮，因而干濕變化會加速其風(fēng)化。外立斜面幕墻風(fēng)化、發(fā)黑相較于垂直立面的幕墻更加嚴(yán)重。這是因為斜面幕墻更容易大面積接觸雨水，而垂直立面幕墻由于角度為90度并受到女兒墻滴水線的保護，相對干燥。

④溫度與風(fēng)力的影響。博物館紅砂巖幕墻位于室外，廣州氣候環(huán)境特點使幕墻長期受到風(fēng)力剝蝕、溫差變化等各種自然因素的影響。

1.2 南越王博物院紅砂巖文物風(fēng)化狀況及原因

南越王博物院紅砂巖文物經(jīng)歷千年歲月的流逝，歷經(jīng)滄桑，遭受著不同程度的風(fēng)化腐蝕，巖石結(jié)構(gòu)較原巖松散，部分已脫落，還有鹽析的白色斑點覆蓋其上。導(dǎo)致這些問題的原因分析如下：

①出土前，影響石質(zhì)文物風(fēng)化的主要因素有巖性和巖體結(jié)構(gòu)、地下水環(huán)境、植物微生物等。

②出土后，部分遺址本體采用覆蓋露明方式展示，使文物本體失去原有的絕氧保護層（歷代層疊的土層），受空氣環(huán)境因素影響加大，還有來自人為因素的污染。

綜上所述，南越王博物院不論是現(xiàn)代紅砂巖幕墻還是古代文物，都面臨同樣的風(fēng)化與病害等問題。隨著時間的推移，情況日益加重，對紅砂巖石材的研究和保護變得刻不容緩。

2 不可移動紅砂巖文物與紅砂巖幕墻材質(zhì)的基本性質(zhì)

針對紅砂巖的風(fēng)化與病害問題，文物保護工作者對王宮展區(qū)紅砂巖幕墻與南越文王墓墓室、曲流石渠遺址的紅砂巖文物采用了無損或微損的檢測方法進行對比。發(fā)現(xiàn)紅砂巖幕墻與紅砂巖文物在吸水性、強度這兩項石材基本性能的關(guān)鍵指標(biāo)上接近（表1）。利用偏光顯微鏡、掃描電鏡（SEM）等手段觀察，發(fā)現(xiàn)紅砂巖文物的微生物病害滋生、表面污染、粉化與片狀剝落等情況與紅砂巖幕墻也有相似之處。由此推斷，在紅砂巖幕墻的清洗和保護過程中，探索適用于紅砂巖文物保護的材料和工藝的設(shè)想是合理的。

3 紅砂巖幕墻清潔與保護技術(shù)措施

紅砂巖幕墻清潔與保護包含三個方面的內(nèi)容：一是徹底清潔紅砂巖的各類污染物，恢復(fù)外墻清潔狀態(tài)；二是對開裂、缺失部分進行修復(fù)，保證外墻的完整性；三是對紅砂巖幕墻進行防風(fēng)化和加固處理，提升其抗污染能力并延緩風(fēng)化速度。

技術(shù)措施與技術(shù)路線依次為：微生物病害治理→表面清洗→局部更換修補→滲透加固→抗?jié)B憎水（防風(fēng)化保護）→幕墻頂面阻水帶施工。

3.1 紅砂巖幕墻清潔保護材料

有機硅氟系列材料用于石材加固及養(yǎng)護已經(jīng)有大量的研究成果和應(yīng)用實例④，具有較好的效果。王宮展區(qū)紅砂巖幕墻的主要礦物成分與有機硅材料具有很好的相容性。根據(jù)砂巖實際情況及多次測試，本次紅砂巖幕墻保護及加固所使用的主要材料如表2。

3.2 微生物病害治理

采用去離子水噴灑微生物殘骸沉積部位，充分潤濕并軟化附著于石材表面的污漬。對于較厚的黑色微生物混合灰塵污漬，采用軟毛刷配合去離子水反復(fù)刷洗可刷洗掉大部分，剩余部分在表面清洗階段處理。

3.3 表面清洗

正式施工前，技術(shù)人員對兩種表面清洗措施—微粒子噴射清洗和高壓水槍清洗進行了試驗評估。試驗表明，高壓水槍能確保紅砂巖基材安全，并極大地提升清洗效率，可作為大面積清洗的首選措施。

3.4 局部更換修復(fù)

紅砂巖幕墻個別板材出現(xiàn)了破損、缺失或開裂，影響了外墻的整體性和安全性。破損嚴(yán)重或缺失較多的板材采取同類同規(guī)格紅砂巖板材更換，開裂的板材則采用紅砂巖石粉調(diào)和修復(fù)砂漿進行填充修復(fù)。

3.5 滲透加固及防風(fēng)化保護

對紅砂巖幕墻板材進行滲透加固和防風(fēng)化保護是項目施工的重點。第一步是進行加固劑噴涂。采用電動噴壺，自上而下噴涂，要求加固劑完全潤濕石材表面，用量不低于0.3 L/m2，共噴涂3遍。加固劑施工后需養(yǎng)護72 h以上再進行防風(fēng)化保護施工。第二步是進行砂巖保護噴涂。防風(fēng)化保護噴涂方式與加固劑噴涂方式相同，噴涂2遍，累計用量不低于0.1 L/m2。

3.6 幕墻頂部阻水帶施工

幕墻頂部有寬度10 cm多的平臺，導(dǎo)致雨水在平臺停留后形成表面流水，對幕墻產(chǎn)生污染。這種類型的污染在摩崖石刻上較為常見。

借鑒石窟寺、石刻等文物保護中常用的窟檐保護思路，結(jié)合王宮展區(qū)幕墻的結(jié)構(gòu)特點，在頂部平臺稍靠外的區(qū)域設(shè)置高度約1 cm的阻水帶，阻止雨水沿幕墻外立面流下形成污漬痕跡。阻水帶采用定制的硅酮石材膠，顏色與幕墻紅砂巖顏色一致，操作時先在墻體頂部區(qū)域貼設(shè)美紋紙，再用膠槍打膠形成阻水帶，打膠完畢后撕除美紋紙，不會影響建筑外立面。

4 紅砂巖幕墻清潔與保護效果評估

實施紅砂巖幕墻清潔與保護前，施工單位針對紅砂巖板材的強度和吸水性等關(guān)鍵指標(biāo)進行檢測⑤，結(jié)果記錄如表3所示。

2021年幕墻清潔與保護作業(yè)完成后，檢測結(jié)果顯示，通過清洗、加固和防風(fēng)化保護處理，紅砂巖的吸水性顯著降低，表面強度增加，達到了預(yù)期目標(biāo)（表4）。

完工后3年，實施區(qū)域的幕墻外觀上仍然維持了較好的清潔度。2024年3月16日，施工單位再次對外墻紅砂巖的性能指標(biāo)進行檢測。結(jié)果顯示數(shù)據(jù)與完工時相當(dāng)，證明保護材料的效果維持較好（表5）。

5 紅砂巖幕墻清潔與保護對紅砂巖文物保護的借鑒作用

基于在文物本體上使用新的材料或工藝要經(jīng)過嚴(yán)格的試驗和論證才能實施的基本要求，南越王博物院與相關(guān)文物保護機構(gòu)合作，開展了紅砂巖幕墻的清潔與保護工作，針對紅砂巖幕墻表面的微生物病害、表面污染與變色、裂隙、剝落和表面粉化等病害進行治理，通過清洗與防治，消除現(xiàn)有病害，并有效遏制污染物的滋生和發(fā)展，降低紅砂巖幕墻的污染與風(fēng)化速率，防止紅砂巖幕墻的進一步破壞。在此基礎(chǔ)上觀察和論證新、老紅砂巖之間共同防治方法的可行性。通過對實施效果進行的跟蹤檢測、評估，本文就項目所采用的工藝及材料對于未來紅砂巖石質(zhì)文物保護可起到借鑒作用分析歸納如下。

5.1 有機硅氟類化合物材料保護效果良好

水在紅砂巖石材的風(fēng)化過程中起著極其重要的作用，有機酸的入侵，生物的附著生長，巖石膨脹、白斑的形成，彈性模量的降低等，這些都是水分進入紅砂巖內(nèi)部引起一系列的物理、化學(xué)變化導(dǎo)致的。因此，如何最大限度地防止水分進入石質(zhì)文物內(nèi)部就是防止石質(zhì)文物風(fēng)化的首要問題。有機硅氟類化合物的分子結(jié)構(gòu)特性能夠在紅砂巖表面及微孔隙內(nèi)表面形成疏水層，從而有效地阻止外界水分的滲透，阻止各類污染和腐蝕性物質(zhì)與紅砂巖發(fā)生接觸和反應(yīng)。鑒于紅砂巖本身的主要礦物成分與有機硅材料具有很好的相容性，有機硅氟類材料可以與紅砂巖通過化學(xué)鍵形成牢固結(jié)合，同時有機硅氟材料具有很高的化學(xué)鍵能，在自然界的光熱作用下能夠保持穩(wěn)定，達到長久保護的目的，符合建筑外墻一級文物的保護需求。有機硅氟材料在現(xiàn)代建筑外墻保護上的應(yīng)用被驗證有效后，可作為紅砂巖文物的保護及加固材料。

5.2 清除紅砂巖文物中的微生物及有機酸才能增強保護劑效能，延長保護時間

石質(zhì)文物表面和裂隙中殘余微生物及其分泌的有機酸會腐蝕降解石材保護劑，有機硅氟類化合物保護劑會因遭受酸堿腐蝕、微生物降解而老化失效。因此，工序的第一步與第二步分別是微生物病害治理與表面清洗。選用去離子水進行抗菌清潔，避免腐蝕性物質(zhì)引入。在施工過程中還對微粒子噴射清洗與高壓水槍清洗兩種表面清洗措施進行了試驗評估。微粒子噴射以壓縮空氣為動力，將磨料以一定的速率噴向被處理的物體表面，以達到去除污垢、氧化皮、鐵銹等雜質(zhì)的目的，但清洗效率較低，不適合大面積作業(yè)。高壓水槍在控制好角度、距離的前提下，對紅砂巖基材安全，能極大地提升清洗效率，可作為大面積清洗的首選措施。盡管兩種措施都能較有效地清潔紅砂巖表面污漬，但高壓水槍清洗只適合紅砂巖幕墻，紅砂巖文物更應(yīng)該選擇沖擊力小的微粒子噴射清洗方式。

5.3 設(shè)立阻水帶及修復(fù)裂隙防水作用效果明顯

除了現(xiàn)在室內(nèi)露明保護展示的南越文王墓墓室和南越國宮署曲流石渠遺址外，紅砂巖石材的清洗和保護對其他戶外砂巖文物的保護同樣有借鑒作用。

相對于室內(nèi)較好的保存環(huán)境，暴露于室外的紅砂巖文物更容易遭到水鹽和微生物的破壞，出現(xiàn)斷裂、酥堿、剝落等風(fēng)化現(xiàn)象。經(jīng)過分析，雨水從幕墻頂部沿石材表面流下的過程加重了污染程度。這是由于雨水將幕墻頂部平面日常累計的灰塵沖刷并流經(jīng)石材表面，增加了幕墻表面的污染物數(shù)量。因而消除這部分影響就可以降低幕墻的污染速度。施工單位通過借鑒石窟寺、石刻等不可移動文物保護中常用的窟檐保護思路，在幕墻頂部設(shè)置高度約1 cm的阻水帶，起到類似窟檐的作用，阻擋雨水沿幕墻外立面流下。

此外，紅砂巖石材產(chǎn)生裂隙會導(dǎo)致其吸水性進一步增加，腐蝕性物質(zhì)更容易深入石材內(nèi)部，加速污染和風(fēng)化速度。采用彈性的硅酮石材膠作為黏接劑混入紅砂巖石粉來填充裂隙，一方面修復(fù)了外觀，另一方面也阻止了雨水及其內(nèi)含的腐蝕性物質(zhì)對于石材的侵蝕，有效保護了石材幕墻。硅酮膠具有良好的彈性，能夠適應(yīng)石材幕墻在溫度變化過程中的熱脹冷縮，不被破壞，具有長效性。

5.4 立面角度對室外紅砂巖影響較大

紅砂巖受污染變黑的影響因素主要包括物理因素（溫度、濕度、風(fēng)向）、化學(xué)因素（酸雨、有機物附著污染）、生物因素（霉菌、微生物、苔蘚等）。同一范圍內(nèi)的紅砂巖，其污染變黑程度、大小與其立面角度存在較大關(guān)系。根據(jù)對王宮展區(qū)紅砂巖建筑外墻觀察，不同立面外墻污染情況各不相同。其中東門入口處外墻的污染程度最為嚴(yán)重，整面墻體全部發(fā)黑，已經(jīng)掩蓋了紅砂巖石材的本色。該面外墻與其他外墻相比有一個顯著特點：為非垂直立面，自上而下從西向東傾斜。這就為大氣中的灰塵提供了一個水平方向的托面，灰塵更容易沉積，日常降雨難以沖刷，導(dǎo)致該部分外墻的污染情況尤其嚴(yán)重。

6 結(jié)語

紅砂巖的巖性呈片狀分布、較疏松、吸水率大，其結(jié)構(gòu)松散，易產(chǎn)生酥堿、脫落，因此防止砂巖微生物或苔蘚類吸附生長，防止因潮濕、干燥交替形成微生物病導(dǎo)致紅砂巖風(fēng)化，歷來是砂質(zhì)文物保存、保護的難題。南越王博物院在幕墻的日常保養(yǎng)維護工作中有意識地開展紅砂巖文物保護的探索性、實驗性工作，利用新建石材作為試驗地，其實踐獲得的經(jīng)驗對砂巖文物的保護具有啟示意義。

“南越國k3cpyzaioyWC4TunrcpihSZIUfndfUe+m9HxwiXRhJA=宮署遺址保護范圍內(nèi)環(huán)境整治項目”對紅砂巖幕墻采取的方法是清潔紅砂巖的各類污染物，應(yīng)用有機硅氟系列材料對紅砂巖幕墻進行防風(fēng)化和加固處理，提升其抗污染能力并延緩風(fēng)化速度。經(jīng)過項目實施后數(shù)年的觀察、驗證，所采取的清潔、保護和加固措施能夠有效減緩紅砂巖幕墻的污染與風(fēng)化，持續(xù)保持建筑外立面的整潔和美觀，基本達到預(yù)期效果。本文通過分析南越王博物院紅砂巖幕墻與不可移動紅砂巖文物的風(fēng)化、病害狀況及二者共通性，評估幕墻清潔與保護技術(shù)措施的效果，進而探討新材料對文物本體保護可起到的借鑒作用，為未來紅砂巖幕墻保養(yǎng)維護技術(shù)的提升推廣，乃至紅砂巖文物本體的保護，提供有力的數(shù)據(jù)支持。

盡管新、老紅砂巖具有一定共通性，但畢竟二者性質(zhì)不同，在保護材料和技術(shù)的應(yīng)用上存在差異，建筑裝飾的紅砂巖幕墻對于新材料、新技術(shù)的使用更加開放和包容，而紅砂文物必須使用經(jīng)過嚴(yán)格驗證的材料和技術(shù)。比如，針對幕墻砂巖石片的開裂、缺失部分進行修復(fù)的方式對文物而言就不適用。雖然本次紅砂巖幕墻的日常保養(yǎng)維護在展現(xiàn)其外觀效果和保證其安全性方面取得了一定進展，積累了一些經(jīng)驗，但對紅砂巖文物本體的防治保護仍需保持謹慎、敬畏的態(tài)度，確實有效保護好祖先留下的文化遺產(chǎn)。

注釋

①蔣曉東，曹建勁.廣州紅砂巖文物保護新方法[J].熱帶地理，2014（1）：9-13.

②汪洋，夏勇，李宏松，等.兩種砂巖類石質(zhì)文物材料耐候性及表面劣化實驗研究[J].安徽大學(xué)學(xué)報，2014（5）：62-66.

③中華人民共和國國家文物局.石質(zhì)文物病害分類與圖示：WW/T 0002-2007[S].2008-03-01.

④張秉堅，倪小蒙，沈飛.不可移動石質(zhì)文物的定期保養(yǎng)維護[J].石材，2024（2）：1-4；張妙發(fā).有機硅材料用于石材保護的研究[J].石材，2007（4）：26-27；周玉迪，湯毅，江滔，等.有機硅復(fù)配液及其對紅砂巖石材抗菌及強度的影響[J].廣州化工，2014（7）：48-50；王昊.石質(zhì)文物清洗技術(shù)研究綜述[J].中國文物研究科學(xué)研究，2018（1）：81-88.

⑤侯志鑫，者瑞，張中儉，等.基于里氏硬度計無損測量方法評價石質(zhì)文物的風(fēng)化程度[C]//王思敬.2018年全國工程地質(zhì)學(xué)術(shù)年會論文集.北京：科學(xué)出版社，2018：384-387．