成都杜甫草堂唐代遗址土体保护材料的选择

王嘉堃，李东红，周双林，白玉龙

（1.首都师范大学历史学院，北京 100048；2.北京大学考古文博学院，北京 100871；3.成都文物考古研究院，四川 成都 610000）

成都杜甫草堂是唐代大诗人杜甫于唐肃宗乾元二年（759年）至唐代宗永泰元年（765年）客寓成都的居所，是历代纪念杜甫规模较大、保存完整、知名度较高的一处遗迹，俨然成为中国文学史上的一方圣地，1961年被国务院列为全国第一批重点文物保护单位。

2001年10月，成都杜甫草堂博物馆在建设地下管网的过程中，在北门内东侧苗圃距地表1 m深处发现了唐代瓷器残件。成都市文物考古研究所会同成都杜甫草堂博物馆进行了抢救性发掘清理，发掘面积总计1 020 m2，发现了唐代的房屋基址、亭台遗址以及水井（图1）、排水沟等重要遗迹，出土了唐代碑刻等遗物。

图1 唐代房屋基址、水井（来源：作者自摄）

这些发现既对再现唐代人们的生活场景意义重大，也丰富了杜甫草堂的历史文化内涵。

为了保护这处重要遗址，计划对其开展保护研究，目的是尽可能地保护该处唐代遗址，防止和控制自然和人为因素对遗址的破坏，尽量保持遗址出土时的完整形态，延长遗址的寿命，并使遗址得较为到完美的展示。其中的内容包括保护性展室的设计、地下水隔断工程、土体的化学加固和防霉除草等方面。本文主要探讨的是土体保护研究中材料的选择。

1 土体加固剂的作用和要求

土体在自然因素如温度变化、湿度变化、可溶盐以及生物因素的作用下，会出现侵蚀与风化现象，表现为表层颗粒脱落，轮廓模糊不清，外观形状的改变。为了对抗土体的风化，可以采用控制环境因素的方法，也可以采用化学材料对土体进行改性，从而提高土体的内部连接力，恢复其本身强度和稳定性。

土体加固剂是现在常用的对抗侵蚀风化的化学材料，主要用于考古遗址土体的防风化，以及治理已经出现风化状况的土遗址。防护时一般采用滴注或喷淋的方法使用。将加固剂按照合理浓度配置后，用滴管或喷淋装置施用在被加固的土体上，待溶剂挥发后，加固剂中的固体成分在土体颗粒的间隙中固结，从而恢复颗粒之间的连接以及土体的完整性。

土体加固剂使用在文物或遗迹上，要求如下：

(1)材料容易制备，价格低，可接受；

(2)性能比较稳定，保存容易，携带方便，不易变质；

(3)低毒无害，对操作者没有不利影响，对自然环境影响小；

(4)黏度低，渗透能力强；

(5)固结快，受环境条件影响小；

(6)固结完成后不改变土颜色、透气性好等；

(7)固结后不在土体表面形成硬壳，与内部土体无明显的分界；

(8)耐老化性能好。

2 试验样品的制备

根据对多个土遗址保护的实践经验，选择了几种在土遗址保护中成功的材料作为草堂遗址土体加固的备选材料，这些材料如下。

(1)甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）：与乙醇以3∶7（体积）配比混合使用；

(2)德国Remmers 公司的产品Remmers 300（R300）：与乙醇以3∶7（体积）的配比混合使用；

(3)K02：采用有机硅改性树脂乳液制备的非水分散加固剂；

(4)21J：采用丙烯酸树脂乳液制备的非水分散加固剂；

(5)TD：采用含有官能团的丙烯酸树脂乳液制备的非水分散加固剂。

非水分散加固剂的制备方法见有关文献[1]。使用的浓度根据对土样的初步加固试验，根据渗透速度选定为K02：1%，21J：0.5%，TD：1%。

2.1 土样的制备

加固剂试验从理论上应该在遗址上进行，但是由于要试验的面积较大，而且是破坏性的，因此一般都采用在遗址周围取土，仿照遗址土特性做重塑土样进行试验。本次试验选择草堂唐代遗址回填部分的土样，保持含水率不变，粉碎后过筛，然后用制抗压试模将粉土压成φ50 mm×103 mm的土样（图2）。使用的制抗压试模为北京工具厂生产。在草堂遗址采土样约20 kg,制备土样48个，其余部分做分析检测。

图2 模拟试验土样（来源：周双林摄）

2.2 土样的加固

土样干燥后，采用以上所选的加固剂，用滴管从土样上部滴加加固剂，滴加时注意加固剂不要在土样表面积聚，待表面没有加固剂液体时再滴加。不断滴加，直至渗透土样为止。

滴加过程中记录渗透速度（图3），3种非水分散体加固剂的渗透速度均高于甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）和R300。在30 min时，K02的渗透深度是80 mm；而MTEOS和R300的渗透深度均是58 mm。根据试验需要，每种材料制备土样9个。

图3 成都土体渗透速度（来源：作者自绘）

2.3 样品的固化

滴加完加固剂的土样要用塑料膜封闭保存2周。其中MTEOS和R300加固的土样封闭时要放入一杯水，以起到保湿作用。样品经过2周的固化过程，测量重量，基本已达到稳定，这时就可以进行加固效果检验。

3 室内加固保护效果检验

固化完成后的土样即可进行加固效果检验，其中重量变化、颜色变化不需要破坏试样，抗压试验用样3个，耐水试验用样6个，试验完成后，分别进行耐冻融试验和耐盐试验。

3.1 重量变化

土样加固前后的重量变化如表1～表5所示。

表1 土样加固前后重量变化（K02）

表2 土样加固前后重量变化（21J）

表3 土样加固前后重量变化（TD）

表4 土样加固前后重量变化（MTEOS）

3.2 颜色变化

加固剂处理要求尽量不改变文物的颜色。试验中以测色色差仪测量土样加固前后的颜色变化，仪器为北京兴光测色仪器公司生产的DC-P3型测色色差仪。对5个样品的上表面进行色差测量，结果可得出三刺激值（x，y，z），试样明度L＊，黄变（dYi），色差（ΔE）等数值，其中色差（ΔE）通常作为比较颜色变化的指标，表6给出了NBS单位的感觉值。

表6 NBS单位的感觉值

续表6

加固处理要求尽量不改变文物的外观，尤其是颜色。试验中使用的是LAB 亨特表色系统。ΔE表示位于三维空间的两色点之间的距离。ΔE=1时，称为1个NBS色差单位，根据NBS可以判断色差的大小。测量结果见表7。

由表7可见，R300色差变化最大，达到感知大的程度，从实物看，样品的上部20 mm颜色较深；MTEOS的色差变化最小；K02、21J、TD的色差变化处于中间位置，目测基本感觉不到。

表7 土样加固后的色差

3.3 抗压强度

抗压强度试验的目的在于：检测土样加固前后强度的变化，采用的仪器为南京土壤仪器厂生产的DW-1型电动应变式无侧限压缩仪。

土样加固后的抗压强度较空白都有所增加（表8），说明采用化学材料对土样进行处理，可以提高土的内聚力，达到加固的目的。

表8 土样加固后的抗压强度 MPa

3.4 耐水能力

耐水能力试验的目的是检验土样经处理后耐受水分作用的能力，耐水能力强，在自然环境中既可抵抗液态水的浸泡，也可抵抗湿度变化造成的不利影响。

将加固剂处理过的土样放入盛有水的容器中，观察记录试样在水中的变化情况及发生的时间（图4）。土样耐水试验结果如表9所示。

各种材料的试验表明：①耐水试验中MTEOS耐水能力最好，是因为聚合后的加固剂具有拒水能力；②R300的耐水能力也很好，但是它吸水；③3种非水分散体加固剂部分脱落，是因为加固剂渗透过程用量不够。

表9 土样耐水试验结果

图4 耐水实验结果（来源：周双林摄）

3.5 耐冻融能力

耐冻融试验的目的是检验加固处理土样的耐冻能力。土样耐冻融能力强，经过这种材料处理的土体在自然环境中就有好的耐受低温的能力，以避免结冰造成的破坏。

耐冻融试验方法参照公路工程石料试验规程中的抗冻性试验（T0211—94）方法。在试验中只记录样品形状变化情况。

将处理过的土样放在盛水（水温在20℃）的容器中，土样浸入水中4 h后取出。擦去多余水分，将饱水土样置于-25℃的低温冰箱中冷冻4 h后取出，此为一个循环；然后再放回20℃的水中4 h，再次进行冷冻（图5）。多次循环并记录，结果如表10所示。

表10 土样耐冻融试验结果

图5 冻融实验结果（来源：周双林摄）

从表10可见，MTEOS的耐冻融能力最好，但是这种耐冻融能力的获得是通过拒水获得的。土体处理后是否应该具有拒水能力，现在还有争论。

其他几个样品浸泡过程中都有吸水现象，其中耐冻融能力最好的是K02，上层的脱落在耐水试验中就出现，这是因加固剂渗透不完全的结果，除此之外，经过5次冻融循环，只有部分表面出现脱落；而21J、TD的表面脱落较多；最差的是R300，这种材料加固的样品经过一次冻融试验已经出现纵裂，之后开裂不断扩大，并出现表面脱落，经过5次冻融循环只残留了中间直径约25 mm的部分。

3.6 耐盐能力

试验方法参照工程石料试验规程中的坚固性试验（TO212—94）方法。

试验方法：配制5%的硫酸钠溶液，土样先在此溶液中浸泡4 h，然后取出，拭去多余溶液，置于自然环境中风干，此为一个循环；然后再浸泡、风干；多次循环并记录样品形状变化，结果如表11所示。

表11 土样耐盐试验结果

从表11试验结果可以看出：MTEOS耐水具有较好的耐盐能力，其他几种材料由于盐结晶破坏严重，可见盐结晶的破坏能力是很强的，几种材料中，K02、TD的耐盐能力比较好。

3.7 加固剂试验室检验总结

根据多个项目检验的结果，可对几种材料的可用性做如下评价。

(1)在几种材料中，甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）的效果比较明显，外观上色差小，可提高土样的抗压强度，最为明显的是其耐水性。由于这种材料固化后有拒水性，所以对其加固土样进行的耐冻融试验、耐盐试验效果虽好，但都不能说明问题。如果从固结能力上讲，这种材料是可以使用的。其缺点是材料固化后柔性不好，自然条件的变化（如温度的变化）造成的收缩膨胀容易使其破坏，当内部土体由于遇水而膨胀时，内外部会不协调，容易造成加固层脱落。另外，采用这种材料处理的土样，增重大（约8.1 g）,增重多，堵塞土体内部孔隙多，不利于土体的透水、透气。

(2)R300材料在几个方面都不好，例如增重大（约10.8 g），颜色变化大，不耐水、不耐冻融等，所以对于草堂遗址的土体加固保护，建议不使用。

(3)3种非水分散体加固剂，在增重、颜色变化、抗压强度增加等方面都好。K02在耐水、耐冻融等方面表现好，耐盐能力也好，所以建议使用。TD、21J两种材料由于加固时加固剂用量不足，致使样品的耐水、耐冻试验表现不好，出现上部脱落严重，但是剩余部分的耐水、耐冻融能力经过几次循环，基本保持了原形状，所以在材料用量充足的情况下可以使用。

(4)渗透速度方面，3种非水分散体加固剂的速度要高于两种有机硅材料，例如在半小时内K02渗透到80 mm的深度，而两种有机硅的渗透深度为58 mm。

(5)处理过程的安全性也需要考虑，两种材料都需使用有机溶剂，故在施工中应注意安全。另外，采用MTEOS处理，还有毒性问题，应考虑严密的人身防护问题。

(6)根据以上所述，加固草堂遗址土体可选用的材料为K02，MTEOS。综合指标K02好于MTEOS。

根据以上综合考虑，建议将两种材料在现场试验，根据实地应用的效果，最终确定遗址加固所使用的材料。

4 加固剂实地试验

按照文物保护的要求，实验室选择的材料需要在实地试验，经过实地环境条件的考验后，检验其实际应用效果并进行可行性分析后，才能大面积应用于文物上。

(1)K02的现场试验：①遗址西北部关键柱西侧，左半部分，高为60 mm，宽为50 mm，上部潮湿，使用浓度为1%的加固剂2 000 mL，时间约30 min；②遗址北半部东南角平台的北侧面，高为70 mm，宽为50 mm，使用浓度为1%的加固剂2 000 mL，时间约30 min，检查渗透深度，为30 mm以上。

(2)MTEOS的现场试验：①遗址西北部关键柱北侧，右半部分，高为60 mm，宽为50 mm，上部潮湿，使用体积比为MTEOS∶乙醇=1∶1的加固剂2 000 mL，时间约为50 min；②遗址北半部东南角平台的北侧面，高为70 mm，宽为50 mm，使用体积比为MTEOS∶乙醇=1∶1的加固剂2 000 mL，时间约为50 min；检查渗透深度，为30 mm以上。

加固完成3 d后，对加固效果进行了检验，两种材料加固的试验块颜色没有变化，K02处理的试验块在次日就有固结能力，触摸不掉土，与未处理部分有明显区别；MTEOS处理的试验块效果尚未显示出来，因为这种材料需要一段时间才能固化。一月后检验，K02固结效果明显，达到了预想效果；而MTEOS的试验块表面变化不大。

5 结束语

经过实地试验，发现采用K02和MTEOS材料与配置浓度在草堂唐代遗址的试用，渗透速度高，渗透能力强，不改变色泽，具有可用性。从效果看，K02固结快，加固效果好，短时间内就有好的固结效果，是比较理想的材料；MTEOS的固化时间长，效果不明显。