石材养护剂S-130与PELICOAT在石质文物封护中的比较研究

我国历史悠久，文物数量众多。以石刻、石窟寺等为代表的石质文物是中国文物的重要组成部分。表面封护是石质文物保护的主要内容之一，通过在石质文物表面涂施封护材料，隔绝文物表面与外界水、二氧化硫、酸、碱、盐等有害物质的接触，可以有效防止或延缓文物的风化。S-130石材养护剂和法国产的PELICOAT保护剂是目前较为常用的两种有机硅类石质文物封护材料，本文对两种封护材料的基本封护性能和耐老化性进行了比较研究分析。

1.封护材料

选用的S-130石材养护剂产地为江苏省，主要成分为有机氟、有机硅;PELICOAT产地为法国，主要成分为聚合硅氧烷。直接使用原液测试，未添加其他溶剂稀释。

2.岩石试件加工

选用物理和化学性能与文物本体基本相同的石灰岩作为试验用材，切割成7×7×7厘米样块，确保质地均匀，表面平整，以满足各项性能测试和比较的要求。

3.表面封护操作

考虑到石质文物现场施工条件，为提高均匀性和可操作性，室内封护采用浸泡的方法，将试件浸泡在封护剂中，5分钟后取出置在不锈钢网上晾干。

4.性能测试

为考察封护剂的各项性能，分别对基本封护性能和耐老化性能进行测试，基本封护性能包括：外观、颜色、光泽、持水量、憎水性等;耐老化性能主要有：耐热循环、耐冻融循环、耐高低温交变循环、耐盐侵蚀、耐酸侵蚀、耐二氧化硫侵蚀等。

5.1外观、颜色和光泽变化

用肉眼观察封护前后试件的外观，用色差计测量颜色变化，用光泽仪测定光泽度变化。每种封护剂测定2支试件，每支测3次，结果取平均值。使用仪器为北京康克仪器厂生产的全自动测色色差计（型号：ACDM-60），德国BYK公司生产的光泽度测定仪（型号：A430）。测定结果如下表：

经封护后试件的光泽度、颜色、质感等变化均较轻微，外观无明显变化，因此，这两种封护材料在外观上均达到文物保护的要求。

5.2憎水性能

使用德国Kruss公司生产的DSA600型接触角测定仪进行测试，每组做2块，每块测3次，测定液滴体积为2μL，结果取平均值，接触角测定结果如下：

由结果可以看出，岩石试件本身并非完全亲水，它们有一定的接触角，而采用S-130和PELICOAT封护后，这两种岩石试件的憎水性能均大幅提高，PELICOAT憎水性能和S-130相近。

5.3持水量

持水量是试件在水中浸泡24小时后的吸水率，用吸水量的质量百分率表示。吸水率的测定方法按照GB/T9966.3-2001《天然饰面石材试验方法》规定进行。实验结果如下：

由结果可以看出，经过S-130和PELICOAT封护后，试件的吸水率均降低，其中S-130降低42.3%，PELICOAT降低25.1%。S-130憎水性优于PELICOAT。石质文物的表面封护应有一定的憎水性，同时具备透气性，即所谓透气不透水，因为水是石质文物风化破坏的主要原因，外部水的侵入不但使石质文物由于盐的结晶，冰冻膨胀造成破坏，而且外部水中含有的酸性成分（碳酸、硫酸等）和盐类（氯化钠、硫酸盐等）进一步渗入到岩石内部，加剧酸蚀和盐蚀等物理学化学反应。

5.4耐温度变化性能

5.4.1耐热

本项试验使用上海实验仪器厂生产的电热鼓风干燥箱（型号：101A-2）和日本三洋电器公司生产的低温冰箱（型号：MDF-435）测试考察封护材料的耐热性能。将试块在烘箱中105℃烘16个小时，再放置冷却8个小时，记录外观变化情况，如此反复进行，15个循环后，取出测试接触角，实验结果如下图：

经过15次热循环后，试件外表均无变化，空白对照的试件表面接触角明显变小，说明表面发生了变化。S-130封护试件的接触角增加3.55%，PELICOAT封护试件的接触角增加4.76%，说明封护剂具有良好的耐热性能。

5.4.2耐冻融

本项试验用于考察封护材料的耐冻融性能，将试块在水中浸泡8个小时，在-20℃冷冻16个小时，记录外观变化情况，反复进行15个循环后，取出晾干测试接触角，实验结果如下：

经过15次冻融循环后，试件外表均无变化。空白对照的试件表面接触角明显变大，说明表面发生了变化。封护试件的接触角变化均不大，说明封护剂具有良好的耐冻融性能。

5.4.3耐高低温交变

本项试验用于考察封护材料的耐高低温交变的能力，试块先在烘箱中105℃烘4个小时，取出在水中浸泡4个小时，再在-20℃冷冻12个小时，取出在水中浸泡4个小时，如此为一循环，每个循环后记录试样外观变化情况，反复进行15个循环后，最后取出测试接触角。实验结果如下：

经过15次温度交变循环后，试件外表均无变化。试件空白对照时表面接触角在试验后增加超过46%，说明试件微观表面发生很大变化，封护试件的接触角试验前后变化均不大，同样说明两种封护剂均具有良好的耐温度交变性能。

5.5耐化学介质性能

5.5.1耐盐

耐盐浸蚀试验是将试件浸泡在盐的饱和溶液中，经过一定时间后取出，烘干后再次浸泡，按此周期反复循环，通过观察破坏出现的时间和程度，比较样块的表面封护效果。本次试验采用的可溶盐是岩石文物中常见的Na SO 饱和溶液。具体操作：将加固后的样块用饱和硫酸钠溶液浸泡16小时，在105℃-110℃下烘干4小时，冷却4小时后，观察记录试件表面变化情况，再浸泡16小时，烘干4小时，如此反复循环，本批每组2块。共进行15个循环，结果如下：

15次耐盐循环后，全部试件外观均无变化，其中空白对照试件与封护试件的接触角试验前后变化均在5%至10%左右，说明空白对照试件与两种封护试件均具有一定的耐盐性能。

5.5.2耐二氧化硫

本实验项目用于考察封护后的试件暴露在高浓度二氧化硫气氛中的变化情况，可反映岩石抵抗大气中的二氧化硫和酸雨侵蚀的能力。将亚硫酸氢钠饱和溶液放在干燥器下层，试件放在干燥器隔板上层，亚硫酸氢钠分解产生二氧化硫气体，试件在这样的氛围里放置，定时观察破坏情况，本次试验每组2块，共进行360小时。耐二氧化硫实验结果如下：

试件在高浓度二氧化硫气氛中放置10天后，全部试件外观均无明显变化，其中空白对照的试件表面接触角略变大，说明表面发生了少量变化，而封护试件的接触角变化均不大，说明封护剂具有良好的耐二氧化硫性能。

6.结论

通过各项基本封护性能和耐老化性能试验可得到初步结论为：用S-130和PELICOAT对石灰岩试件进行封护，岩石外观（质感、颜色、光泽度等）无明显变化，岩石表面憎水性能大幅提高，吸水率降低20%以上;未封护岩石试件在耐温度变化试验（耐热、耐冻融、耐高低温交变）前后接触角均有较大变化，但程度不同，变化率23%-46%，影响因素从大到小依次为：高低温交变循环、热循环和冻融循环。封护后岩石试件在以上耐温度变化试验前后接触角变化率均小于5%，说明岩石试件用S-130和PELICOAT进行封护后，均能明显提高石材的基本封护性能和耐老化性，对石质文物保护有良好的应用前景。

（作者杨沛欣，文博助理馆员，工作于陇东古石刻艺术博物馆，研究方向为文物保护）

参考文献：

（1）郭宏，论不改变原状原则的本质意义——兼论文物保护科学的文理交叉性（J），文物保护与考古科学，2004，16（1）： 60-64;

（2）李黎、赵林毅、王金华等，我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的物理力学特性研究（J），岩石力学与工程学报，2011，30（10）：2120-2127;

（3）張金凤，石质文物病害机理研究（J），文物保护与考古科学，2008，20（2）：60-67。