石质文物的保护方法之加固

加固保护的目的是提高风化文物强度。其基本原理是通过加固剂渗透到石质文物中替代由于风化引起损失的天然胶结物。加固主要针对的是已经风化的、有解体危险、砂化的多孔文物。

对加固材料的要求:

1)能形成一种新的、抗风化的矿物质岩石胶结物;

2)不形成任何破坏岩石的含盐副产物;

3)对岩石的一些主要特性,如水蒸气透气性等不良影响;

4)在岩石中有良好的渗透力,至少应能渗透到未风化部位,而且加固后的力学剖面应应平稳,在表面附近产生力学强度过大现象;

5)不会引起岩石表面颜色的变化。

加固方法:

实际操作中,常采用:熔化凝固;传递的溶剂挥发;加固剂间的化学反应加固剂与矿物的化学反应。

加固材料分为有机材料和无机材料,它们的区别是:无机材料的加固是通过石质中某些成分与CO 2 的反应或水合作用形成新物质而实现的。形成的新物质与矿物的连接比较脆弱,其粘接的裂缝宽度不可能大于10—50UM。用无机加固剂不能实现裂开两部分的粘接。无淆机材料与有机材料相比较,耐老化,但比较脆,弹性差。通过化学反应来实现加固,很难获得好的渗透效果,这是因为一旦化学反应开始,反应物会阻塞岩石表面的空隙,从而抑制了加固剂的进步渗透。

与无机加固剂相比,有机加固剂更易于受环境而老化,主要是氧、臭氧、水、紫外及红外辐射使有机材料产生或物理变化。但是如果加固材料在石质品内的空隙中,以上因素的影响就会受到限制。有机材料的另外一个缺点就是热膨胀系数高于岩石,但其具有比较好的粘接性,柔韧性,所以就具有良好的抗应力的特性,另一方面,有机加固剂很难象无机加固剂易于渗透,这主要是由于有机加固剂的分子长链和极好的粘性所致。为了解决这一问题,有人在使用或实验用预聚合物和单体可,特别是使用硅氧烷类材料和丙烯酸单体。

常用加固剂的主要类型

无机类:

1)石灰水。其加固作用是通过氢氧化钙与二氧化碳的反应来实现的,化学反应所形成的碳酸钙留在岩石的空隙中。

反应:Ca(OH) 2 CO 2 CaCO 3 H 2 O

( 2) 氢氧化钡。其原理与石灰水相似 。

反应:Ba(OH) 2 CO 2 BaCO 3 H 2 O

有机类:

1)环氧树脂类由于环氧树脂在固化是无副产品、不产生气泡、体积收缩小不变形、而且能渗入多孔材料的内部形成网状结构,且有良好的耐久性,粘性及机械性能,倍受人们青睐,尤其是一些新型的改性环氧树脂材料。

环氧树脂是典型的体内聚合的方式。环氧树脂分子末端含有两个以上的环氧基团,加入固化剂,依靠环氧开环聚合或加成聚合,达到高分子量化后形成具有一定揉性、粘性及抗化学腐蚀的长链网状结构。用于文物保护上的环氧是分子末端含有两个以上环氧基团的双酚A组分(双酚A二甘油醚),常用的固化剂是胺类,胺的特性决定了固化速度,而固化时间又影响渗透深度,为了增强效果也常常加入活性稀释剂和增韧剂等。

环氧树脂加固的成功与否与树脂的合理选择和渗透方式、岩石的空隙度有关,真空低压渗透可获得较好的渗透深度,本身多空的岩石风化后使环氧树脂加固的最佳对象,成功的处理要求岩石的空隙度为砂岩14%,灰岩28%

尽管环氧树脂加固作用明显,但也有缺点,如渗透性稍差,不透气。受UV光照射颜色变黄等。

2)丙烯酸树脂类

丙烯酸也是广泛应用于多孔文物加固保护的树脂材料。聚甲基丙烯酸甲酯称为有机玻璃,能防止文物的风化及户外紫外光照射,但是用有机玻璃处理过的岩石阻止了湿气的活动。Paraloid B72是人们研究最多的一种丙烯酸树脂,它是一种白色玻璃状结构,能溶于多种有机溶剂。是溶剂挥发后成膜而起到加固作用的典型代表,通常以丙酮或二甲苯是2%—10%的浓度使用。B72最大的缺点是形成的膜非常脆,既不抵抗碱性的侵蚀,又不抵抗UV光的照射,又的颜色也会变深。现在正在对丙烯酸进行改性,如环氧丙烯酸、含硅丙烯酸等。

3)有机硅类

有机硅类加固剂主要有硅酸乙酯、烷基硅酸盐、硅烷、硅氧烷、硅酸盐等。如德国的Remmers 系列产品,美国的三甲基四乙氧基硅烷。在中国比较常用的 Remmers 300(硅酸乙酯) ,武汉大学生产的有机硅系列产品 如WD—10 表面封护剂。

有机硅类材料的特点:有机硅材料作为硅酸盐化学于有机化学的纽带,有机聚合物的结构特性使其兼备有机材料与有机聚合物功能与一身。它不仅具有卓越的耐高低温性能、电绝缘性、化学稳定性和耐老化功能。在文物保护上应用的有机硅材料具有粘度小、渗透性好,固化后石质不变色、不反光、无油污感,并赋予风化石质一定的强度,憎水性优良,透气性好等特点。