石質文物保護關鍵技術研究

主要完成單位：雲岡石窟研究院 中國文化遺產研究院 中鐵西北科學研究院有限公司 陝西省文物保護研究院 中南大學

主要完成人：黃繼忠 王金華 王逢睿 高峰 齊揚 劉紹軍 方建生 周偉強 劉建輝

獲獎等級：一等獎

本項目於2007 年由國家文物局組織策劃，並於2009 年9 月由科技部批准列入「十一五」國家科技支撐計劃正式啟動，2012 年9 月通過科技部驗收。

本項目以雲岡石窟為例，針對我國砂岩類石窟寺普遍存在的水的侵害、石窟岩體失穩、石雕風化以及表面污染等共性問題開展了綜合研究，在石質文物保護中的無損（微損） 檢測、水分來源探測及評估、岩體穩定性評估、危岩體加固治理、防風化加固材料及工藝、表面污染物清除等關鍵技術方面取得突破，建立了較為完善的石質文物保護技術體系與工作方法體系，形成了石質文物檢測、監測、評估及重點病害治理的技術、材料和設備的創新性成果。

石質文物（包括石窟寺、石雕像、摩崖石刻和碑刻等形式） 在我國歷史文化遺產中占有極其重要的地位，具有極高的歷史、藝術和科學價值，所以石質文物的保護工作歷來都受到各級政府和文物部門的高度重視。

我國的石質文物以石窟類文物為主體，由於這類遺存體量大且具有不可移動性，多處於露天或半露天保存，普遍存在水患、賦存岩體失穩導致的結構損傷破壞、本體污染、石質文物表面風化等問題，且隨著與周邊環境不斷地交互作用，文物劣化情況日益嚴重。

石窟寺保護技術具有專業性、複雜性、綜合性強的特點，幾乎涉及文物保護技術的各個層面，仍有許多瓶頸問題和關鍵技術需要研究和攻關，石窟類文物的保護形勢依然嚴峻。

一、項目主要研究內容

1. 建立石窟典型病害和保護效果評價的無損檢測技術體系

在石窟風化病害的檢測及評估技術、裂隙病害及裂隙灌漿加固效果檢測技術、清洗效果檢測評估技術等三個方面取得了系列研究成果。

其中包括：適合從縱深、梯度對石質文物風化程度、深度等方面進行檢測和評估的微損鑽芯取樣技術，可以半定量檢測表層岩石元素成分的可攜式X 射線螢光無損檢測技術，適合定量評價風化病害的程度和風化深度的貫入阻力儀及抗鑽係數Dr 試驗統計分析模型；適合探測岩石空鼓的紅外熱成像技術，適合於定性探測、評估表層岩體微裂隙發育分布狀況及危害程度的超聲探傷檢測技術，以及適合裂隙灌漿效果的探測與評估的紅外熱成像技術和超聲波檢測技術；可用於清洗效果檢測評估的色差儀和三維形貌儀等技術的應用研究。

通過該課題的研究，建立了石窟典型病害和保護效果評價的無損檢測技術體系。

2. 研發石窟水分來源綜合探查技術

在石窟水分來源綜合探測方面取得了一系列成果，其中包括：應用六氟化硫(SF6)混合氣體示蹤探測方法對石窟圍岩滲流通道進行探查；研發了文物保存環境無線遠程控制除濕系統，為洞窟內石質文物保護工作的實施提供了網絡化、智能化實時監控的自動除濕系統，從而為凝結水的治理工作提供了技術支撐；採用無線傳感網絡技術作為實時、動態信息採集的手段，結合太陽能技術等構建了石窟區的環境監測系統；採用氫氧同位素的探測分析技術證實了降雨在補給地下水之前經歷了一定程度的蒸發作用引起了同位素的富集；揭示了降水、裂隙水、地下水水化學過程、水岩相互作用及石窟表面鹽類結晶、析出特徵；採用硫同位素測量探測技術，揭示了水運移過程中同位素的變化特徵，說明了雲岡石窟區硫的來源；構建了第一個石窟山體水汽環境監測體系，研究表明山體內部確實存在驅動空氣流動的條件，說明石窟山體包氣帶相當於一個含有飽和水汽的空氣儲藏室，並與洞窟內部的空氣存在交換現象。

3. 建立石窟穩定性分析評價系統

建立了較完善的石窟岩體穩定性分析評價系統，明確了石窟岩體穩定性評價分析的程序、步驟、內容、要求、方法、安全標準等。

具體研究成果包括：對不同石窟岩體穩定性問題的內涵、概念進行了界定，歸納總結了石窟岩體穩定性問題的類型、破壞模式及變形特徵，提出了石窟岩體穩定性評價標準和加固設計標準；根據石窟岩體結構特徵，建立了洞窟蠕變本構模型，應用三維流變力學有限元分析方法，完成了第9、10 窟蠕變時效穩定性分析評估；建立了有限元模型，採用現場岩體溫度監測數據反演的方法處理熱學邊界條件，較好的模擬了雲岡石窟岩體在多場耦合作用下的劣化及破損機理。

4. 構建石窟危岩體治理關鍵技術體系

以石質文物保護需求為導向，從勘察、設計、施工、檢測等技術環節入手，對石窟危岩體治理關鍵技術進行了適用性研究和改進並取得關鍵成果。

通過試驗監測評估了現有錨索在治理石窟岩體時應力擾動大小，進而提出預應力錨索治理石窟危岩體的適用性條件及參數選取原則；研發了適用不同類型石窟危岩體的新型錨杆結構；從材料與石窟岩體性狀的匹配與兼容性出發，首次研發了適用於砂岩裂隙加固的無機礦物聚合物灌漿材料，該材料具有與石窟岩體力學性能相匹配、透水透氣性好、熱力學性能與岩體相兼容、收縮小、耐候性強等性能特徵，可以滿足施工時可灌性好、環境友好、工藝簡單、成本低及適應性強等要求；研製了錨固施工粉塵監控新裝置，完善了具有施工影響因素動態監控性能的石窟危岩體錨固施工工藝；採用錨固質量檢測儀等技術，完成了錨固體質量和工作性能的無損檢測，實現了錨固及灌漿質量的動態控制；以上關鍵技術體系對於提高岩體穩定性、保證石質文物安全具有重要意義，在石窟區文物保護工程施工中具有重要的應用價值。

5. 研究清除石質文物表面污垢的技術方法

明確了化學清洗、蒸汽清洗、微粒子噴射清洗、雷射清洗等技術影響清洗效果的指標參數，全面梳理和總結了其技術特點及其適用性，並針對有害污物，建立起綜合評估流程和處理方法，形成了我國石窟文物表面有害污染物清洗集成技術；建立了砂岩雷射損傷理論模型和雷射清洗理論模型，得到砂岩損傷閾值、清洗時使用能量上限和砂岩基底的損傷閾值；研發完成了具有自主智慧財產權的文物雷射清洗設備,該設備具有在線監測和輸出光斑跟蹤兩個專用功能，能量上穩定性、輸出光束質量等主要指標達到國外同類產品水平。

6. 研發新型石質文物防風化材料及工藝

首次將數據挖掘中的決策樹分類方法應用到石質文物風化影響因素研究中，並與風化影響因素非條件Logistic 模型相結合，進行擬合分析，得出了影響雲岡石窟風化的關鍵因素是空氣中SO2濃度、洞窟溫差和PM10；研製成功疏水性納米複合薄膜專用防風化材料；通過高能機械球磨結合超聲分散的方法，製備了無機（TiO2 包覆SiO2 的複合納米顆粒） -有機（含氟有機物） 雜化超疏水性薄膜；研發了以四甲氧基矽烷和甲基三甲氧基矽烷為基體，以甲基三乙氧基矽烷和正矽酸乙酯為補充，並添加少量的含氟有機物和納米二氧化矽/石質石粉顆粒的有機-無機雜化防風化材料。

二、項目取得的重要創新

「石質文物保護關鍵技術研究」項目針對我國石窟寺保護面臨的核心問題和涉及的關鍵技術、共性技術，在檢測技術和裝備、分析評估方法體系、加固與保護相關新技術、新材料、新裝備等方面取得了系列創新性成果，獲得了12 項專利授權，填補了我國在石質文物保護技術方面的空白，有力提升了我國石質文物保護水平。

1. 形成了系列分析評估方法體系

（1） 提出了石窟岩體破壞模式和石窟岩體穩定性評價的安全係數和評價標準；建立了評估對象、內容、方法、結論及預測為框架的石窟岩體穩定性評估系統。

（2） 首次針對以雲岡石窟為代表的砂岩石窟，建立了一套「設計-施工-監測-檢測全業務鏈條」的工程措施適用性評估體系。

以雲岡石窟危岩體病害的治理設計及治理施工為例，從應力匹配、材料兼容、輕振、微塵等多個角度，提出石窟危岩體病害的綜合治理技術措施。

（3） 為控制和減小錨固成孔作業對石窟岩體的振動影響，達到「輕振」的精細化施工目的，首次系統評估了多種鑿岩方法對砂岩石窟的振動範圍。

採用DASP-V10 系統全程監測，針對雲岡石窟地層條件與當時施工條件，評估出低風壓衝擊－迴旋鑽進、鑿岩機鑽進、三牙輪鑽進的安全影響範圍比值為7：4：1。

建議文物保護工程成孔作業應選用消耗功率較小的磨削破岩方式。

（4） 首次提出了污染物對文物藝術價值影響評估模式和方法及其評估程序，從表面污物對文物安全性和藝術價值的影響方面進行了分析研究。

首次發現煙燻黑垢、墨汁和手摸油脂有一定的抵禦酸性氣體腐蝕的作用，能緩解砂岩的風化；而粉塵沉積等污染物對岩石有一定的破壞作用；對文物保護相關實踐活動具有一定的指導意義和借鑑作用。

2. 形成了一系列新的監測、檢測分析技術

（1） 首次以微損鑽芯取樣技術、高光譜及紅外成像技術、現場原位螢光和實驗室螢光的校準技術及現場原位近紅外光譜結晶水分析技術等為依託，建立了以雲岡石窟為例的石質文物表層風化病害及其加固效果無損（微損） 探測體系，實現了石質文物表層風化病害的定性或半定量無損（微損） 檢測。

（2） 首次採用六氟化硫(SF6)混合氣體進行了石窟岩體示蹤試驗，證明雲岡石窟岩體水平孔和垂直孔之間存在滲透導通氣體現象，同時也說明六氟化硫(SF6)混合氣體試驗適用於石窟圍岩滲流通道的探查。

（3） 首次利用氫氧同位素的研究方法證實了雲岡石窟區地下水來源為大氣降水。

首次採用硫同位素研究確定了雲岡石窟區硫的來源，證明了石窟水分和鹽分的運移密切相關，並且地下水中的可溶鹽和石窟內豐富的次生鹽類礦物為開展水化學和環境同位素研究創造了良好條件。

（4） 建立了由自動化氣象站、覆蓋層監測系統、石窟圍岩監測系統（水平孔和垂直深孔） 和石窟內部環境監測系統組成的第一個石窟山體水汽循環監測體系。

實踐證明該系統應用於研究石窟岩體與外界水汽交換的監測和研究是可行的。

監測結果表明：受大氣壓夏季低、冬季高的季節性波動影響，山體空氣對流驅動力也存在夏季向上而冬季向下的季節性變化。

（5） 通過岩體表層溫度梯度等監測，在石質文物領域首次建立了多場耦合模型並進行了數值分析，對岩石劣化機理作出評估。

（6） 首次運用空心包體應變計測量地應力的方法，針對雲岡石窟危岩體實施試驗、監測，並分析了錨固體系作用時附加應力對岩體擾動的範圍與程度，提出了適用於石窟危岩體病害治理的新型錨固結構體系，提升了加固設計理念與方法。

3. 形成了新的加固、保護技術

（1） 在不同材質錨杆體的適用性研究的基礎上，首次提出多重防護的低初始工作應力錨索。

提出錨固體初始工作應力值的大小取決於石窟淺表層岩樣在單軸壓縮試驗中由彈性變形階段向塑性變形階段過渡時對應的軸向應力值，並與反力裝置的尺寸以及錨杆（索） 杆體材料的種類有關。

（2） 首次對化學清洗、蒸汽清洗、微粒子噴射清洗、雷射清洗等技術從影響清洗效果的指標參數、清洗機理、清洗工藝及其對雲岡石窟主要污染物清洗適用性等方面開展了研究，全面梳理和總結了其技術特點，建立了適用的清洗技術和流程工藝，建立了石窟表面有害污物清除的工程技術體系。

4. 研發了系列檢測、保護新設備

（1） 研發了文物保存環境無線遠程控制除濕系統，達到自動除濕的效果，為洞窟內石質文物保護工作的實施提供了網絡化、智能化的實時監控裝備。

（2） 研發了鑽進除塵設備，應用於石窟岩體錨固工程成孔作業環節，粉塵收集率達到95%以上，達到「微塵」的文物保護與環保施工目標。

（3） 研發完成了具有自主智慧財產權的文物雷射清洗設備。

技術指標上，該成果具有在線監測和輸出光斑跟蹤兩個專用功能，能量上穩定性、輸出光束質量等主要指標達到國外同類產品水平。

經濟指標上，國內產品大大低於國外同類產品。

5. 研製形成了新的加固保護材料

（1） 研發出與砂岩石窟岩體性能相匹配的礦物聚合物灌漿材料。

該材料具有與天然岩石相似的結構，熱力學性能匹配，在15~60MPa 範圍內強度可調，可與岩石等強度。

收縮率小於0.2%，具有比天然岩石更好的耐環境侵蝕的耐久性。

（2） 研製了以四甲氧基矽烷和甲基三甲氧基矽烷為主要機體，以BYB1002 為輔助，以甲基三乙氧基矽烷和正矽酸乙酯為補充及甲基丙烯酸六氟丁酯和微納米粉體作為添加材料的，綜合防風化效果顯著提高的有機-無機防風化加固材料。

（3） 研製了一種溶膠基有機-無機雜化防風化加固材料。

色差變化值<5，粘度低(1.0×10-3Pa · s），在砂岩孔隙率為20Vol%條件下，有機-無機防風化雜化加固材料的垂直滲透深度超過40 毫米，加固材料在乾燥過程中的開裂現象顯著降低，所加固石質文物的耐酸和耐鹽腐蝕能力顯著提高。

三、項目研究成果推廣應用情況

「石質文物保護關鍵技術研究」研究成果在我國石質文物保護中得到很好的轉化利用，如：利用石窟岩體穩定性評價系統研究成果成功分析評估了雲岡石窟五華洞區域石窟岩體的穩定性和龍門石窟奉先寺石窟岩體的穩定性，於2012、2014 年完成了加固設計措施，並運用石窟岩體新型錨固和注漿體系，於2014 年實施了雲岡石窟五華洞石窟岩體的加固工程。

利用清除石質文物表面污垢的技術方法成果，開展了廣西花山岩畫表面污垢的清洗預研究，提出了花山岩畫表面污垢物清洗治理方案。

利用石窟水分來源綜合探查技術成果，開展了大足石刻寶頂山大佛灣滲水病害探查工作，取得了良好的效果，依此編制了水害治理方案並得以批准實施。

其他研究成果也在石質文物保護實踐中逐漸發揮作用。