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2017年国家科技进步二等奖项目 干旱环境下土遗址保护关键技术研发与应用
2018年01月22日 10:33 来源:中国文物信息网 作者:王旭东 等 字号

内容摘要:1.形成了干旱环境土遗址保护基础理论项目首次给出了土遗址保护的术语体系和科学内涵,揭示了多场耦合作用下土遗址病害的形成机理与演化模式,建立了包括现状评估、保护材料与工艺筛选、效果评价等内容的测试检测方法。面对国内外没有土遗址保护相关标准规范可借鉴的实际,研发团队通过总结土遗址保护研究与实践,首次完成了《土遗址保护勘察规范》《土遗址保护试验规范》《干燥类土遗址保护加固设计规范》等行业相关技术标准的编制,编著了我国首部岩土类遗址保护工程档案编写工具书。2.发明了干旱环境土遗址系列保护加固材料研发了以PS材料、水气两硬改性料礓石等为代表的系列无机保护加固材料,满足了土遗址保护最小干预、最大兼容和长期服役的特殊需求,解决了长期以来我国土遗址保护领域缺乏适宜材料的难题。

关键词:遗址;病害;加固;文物保护;灌浆;检测;形成;干旱;勘察;研究

作者简介:

  2018年1月8日,国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂举行。党和国家领导人习近平、李克强、张高丽、王沪宁出席大会并为获奖代表颁奖。由敦煌研究院联合兰州大学、西北大学、中国文化遗产研究院和敦煌研究院文物保护技术服务中心共同完成的“干旱环境下土遗址保护关键技术研发与应用”获2017年度国家科学技术进步二等奖。本周刊重点介绍,与大家分享成果。

  土遗址是我国不可移动文物中最重要的遗存之一,主要保存于西北地区和丝绸之路沿线,在时空上具有历史跨度大、分布范围广等特点,如长城、玉门关、交河故城、西夏陵、元上都等。土遗址是中华民族生生不息发展壮大的实物标本,是传承和弘扬中华传统文化的历史根脉,是中西文化交流与融合的重要历史见证,是实现“一带一路”的桥梁和纽带。土遗址长期遭受风蚀、雨蚀、冻融、地震等多种自然营力作用和人类活动影响,出现了坍塌、掏蚀、开裂、表面风化剥离等多种病害。世界范围内的土遗址保护缺乏学术框架和技术体系,探索既能保持其原状和全部信息、又能防止结构性破坏、提高抗风化能力的保护技术与装备,是保护工作面临的巨大挑战。

  自1992年以来,为配合抢救性保护重要古迹遗址的国家任务,以敦煌研究院为代表的研究团队,联合国内多所高等院校和科研院所,经过20多年坚持不懈的努力,形成了我国干旱环境下土遗址保护基础理论,发明了系列保护加固材料,研发了成套保护专用技术和装备,实现了保护的科学化和规范化,成功保护了我国一大批具有重要价值的土遗址,培养和支撑了多支活跃于我国土遗址保护领域的专业技术研发和工程实践队伍,充分发挥了示范和引领作用,逐步形成了具有一定规模的土遗址保护行业。

  土遗址的主要病害

  项目的主要科技创新

  1.形成了干旱环境土遗址保护基础理论

  项目首次给出了土遗址保护的术语体系和科学内涵,揭示了多场耦合作用下土遗址病害的形成机理与演化模式,建立了包括现状评估、保护材料与工艺筛选、效果评价等内容的测试检测方法,系统制订了科学的土遗址保护工作程序和勘察、设计、试验的技术标准规范。

  (1)首次给出了土遗址保护领域的术语体系和科学内涵,提出了病害分类评估体系和方法。

  科技名词术语的规范化是国家科技发展和文化传承的一项系统性工程。文物保护属自然和人文交叉的综合应用学科,从不同专业借用的相关名词和术语很不统一,严重制约着土遗址保护行业发展和学科构建。研发团队通过对全国土遗址系统调查,以专著和标准的形式,首次给出了土遗址保护领域的术语体系和科学内涵。

  采用致病因素、表现形式、形成机理三级分类标准,将土遗址病害总结归纳为2类7亚类19种,科学界定了不同类型病害特征及表现形式,提出了病害图示方法,形成了土遗址病害调查与现状图绘制方法,实现了土遗址保护工程勘察设计的标准化。基于层次分类评价和模糊数学原理,将地质灾害和遗址病害风险作为土遗址现状评估顶层架构。地质灾害借助岩土工程和地质工程的成熟理论和方法进行风险评估。引入风化率、风险等级等指标预测遗址病害发展趋势,得出科学的评估结论和保护对策。

  (2)揭示了多场耦合作用下土遗址病害的形成机理与演化模式。

  土遗址保护技术难以突破的关键是病害机理不够清楚。通过对干旱环境土遗址的病害调查和试验,从温度场-水盐场-气流场耦合的角度,深入开展了土遗址干湿循环和冻融循环下的风蚀和雨蚀耐久性,土体结构劣化条件下的风蚀、雨蚀质量损耗,赋存环境对遗址体长期服役性能影响和评估,土遗址盐害类型与分布、表部聚盐机制和盐害阈值,遗址结皮类型成因及演化模式等研究。首次从病害演化动力学角度,提出了土质文物老化劣化-损耗说、本体与环境因子相互作用概念模型,从土遗址材料功能退化的角度建立了土遗址劣化理论框架体系,揭示了病害发育机理与演化模式,为保护技术的研发提供了科学依据和理论支撑。

  土遗址风蚀、雨蚀机理研究

  在病害机理研究的基础上,通过探讨丝绸之路沿线区域气候、地形地貌和地质环境等自然因素时空分布特征和演化规律,深入研究了丝绸之路自然环境和灾害类型对古遗址可能造成的风险,揭示了环境要素与遗址保存之间的联系和作用过程,为丝绸之路沿线遗址保护提供了学术支撑。

  (3)建立了包括现状评估、保护材料与工艺筛选、效果评价等内容的测试检测方法。

  测试检测手段和方法的欠缺使土遗址保护研究难以深入。研发团队引入便携式显微镜、声波仪、面波仪、红外热像仪、高密度电阻率仪、TDR、微型硬度计等无损(微损)仪器设备,研发了定量表征土遗址风蚀、雨蚀、冻融和温湿循环特性的专用设备,以及微电极排和热传导测试装置,用于土遗址现状评估、保护材料与工艺筛选和效果评价,形成相关测试检测方法,拓宽了土遗址分析和测试手段,成果成功支撑了我国首部土遗址行业试验技术标准的编制。

  (4)系统制订了土遗址科学的保护工作程序和勘察、设计、试验的技术标准规范。

  面对国内外没有土遗址保护相关标准规范可借鉴的实际,研发团队通过总结土遗址保护研究与实践,首次完成了《土遗址保护勘察规范》《土遗址保护试验规范》《干燥类土遗址保护加固设计规范》等行业相关技术标准的编制,编著了我国首部岩土类遗址保护工程档案编写工具书,规范了我国土遗址保护与实践,确保了重大土遗址保护工程的成功实施,同时可为其它类型文物保护工程提供技术示范。

  土遗址科学的保护工作程序和勘察、设计、试验的技术标准规范的建立,对我国干旱环境土遗址保护的科学化、规范化及推广应用意义重大。自国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心成立以来,先后在宁夏、新疆、内蒙、西藏、河南、河北、山西七省(区)设立了技术推广工作站,通过共同开展需求分析,以技术研发指导工程实践,以工程实践反馈技术问题,通过多学科交叉和产学研结合,总结出了一套科学的土遗址保护程序和方法,构建了文物保护产学研链条式发展新模式。通过技术授权和技术指导,先后为11家文物保护工程勘察设计甲级资质、施工一级资质的企业提供了技术支撑,培养文物保护一线专业工匠1000多人,成果应用于113项全国重点文物保护工程,全面提升了我国土遗址保护的科技含量和整体水平。

  2.发明了干旱环境土遗址系列保护加固材料

  研发了以PS材料、水气两硬改性料礓石等为代表的系列无机保护加固材料,满足了土遗址保护最小干预、最大兼容和长期服役的特殊需求,解决了长期以来我国土遗址保护领域缺乏适宜材料的难题。

  保护加固材料是制约土遗址保护技术发展的难点和瓶颈。土遗址的露天保存环境和文物特殊需求,决定了应首选与遗址土性及赋存环境兼容的加固材料。

  (1)PS加固材料的研发。

  针对干旱环境下土遗址风蚀、雨蚀病害,通过大量室内和现场试验,研发出了最佳模数3.8的PS防风化材料(高模数硅酸钾溶液)。研究证明,遗址土经PS材料加固后,土中的矿物变为晶体和非晶混合物,PS材料中的硅醇基与矿物羟基发生缩合反应,将松散颗粒粘结成较大团粒,在不减小遗址土体有效孔径和保持土体表面质感的同时,形成一种致密的网状结构,并通过化学键合作用形成整体联接,将遗址土的抗风化损耗能力提高6倍以上。引入非饱和土理论,首次确定遗址土在3%~9%含水率范围内渗透能力最强,25℃为最理想施工温度。通过PS材料入渗特性研究,量化了渗透深度,揭示了渗透加固机理,科学界定了PS材料加固干旱环境土遗址的适用范围,成功解决了长期困扰土遗址风蚀、雨蚀病害防治的难题。

  PS材料加固遗址土实验研究

  (2)水气两硬改性料礓石等系列加固材料的研发。

  针对导致土遗址坍塌、掏蚀、开裂等毁灭性病害,通过对我国大地湾遗址已有6000多年历史“仰韶水泥”的科学认知,以传统建筑材料料礓石和阿嘎土为原料,开展系列温度(700℃~1400℃)烧料礓石、阿嘎土等矿物组成及固结机理研究,找到了控制产物中水硬组分和气硬组分含量的最佳焙烧温度和时间,研发出了具有水气两硬特性,且强度可调、兼容性好和耐候性强等优点的改性料礓石和改性阿嘎土。基于相同原理,以灰白色泥灰岩、土黄色泥灰岩和蛎灰等为原料,研发出了加固不同色质和强度的岩土质文物系列无机加固材料。通过筛选试验,在不改变遗址外观和质感的前提下,添加5%改性材料后,收缩率降低了32%,抗风蚀雨蚀能力提高了近6倍,满足了支顶加固的要求;以系列改性材料为主剂,配以遗址土、石英砂、粉煤灰等填料的灌浆材料,满足了锚固、裂隙充填的要求。

  水汽两硬材料研制

  以上保护材料的成功研发,解决了长期以来我国土遗址保护领域缺乏适宜材料的难题。

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