试论红砂岩幕墙清洁与保护对红砂岩文物保护的借鉴作用

摘 要：南越王博物院主体建筑的红砂岩外挂幕墙与院内两处不可移动红砂岩文物具有类似的石材自然属性。文章以红砂岩幕墙清洗和保护的实践为例，通过运用渗透型有机硅石材保护液在岩石防水、防污方面所起的作用，对遭受一定程度污染的红砂岩进行清洗保护。项目竣工三年后的评估检测显示，石材保持了良好的清洁面貌和防水性能。文章旨在探讨红砂岩幕墙清洗和保护的材料与工艺，为红砂岩石质文物保护提供有效的借鉴作用。

关键词：红砂岩；保护；有机硅

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.16.015

红砂岩在广东境内分布广泛①，大量应用于古建筑、墓葬、石刻等多种遗存，又因开采加工容易、色泽鲜艳，常用于近现代建筑基础和外墙。广州的镇海楼、五仙观、赤岗塔、琶洲塔、莲花塔等古建筑，其墙面、柱基或石砖均为红砂岩。西汉南越文王墓墓室、南越国宫署曲流石渠遗址的渠壁都是以红砂岩构建的。广州两千年历史文化的传承载体，依托南越文王墓、南越国宫署遗址建设而成的南越王博物院也采用红砂岩材质作为建筑幕墙，新建幕墙与文物之间具有一种直接的关联性。受制于石材自身材质特点及自然和人为因素的影响，南越王博物院里无论是古代还是现代的红砂岩石材，均面临着不同程度的破坏和损失。如何保护好这些红砂岩成为博物馆工作中重要且迫切的问题。

南越王博物院王宫展区（原南越王宫博物馆）展览和保护厅于2010年兴建，2014年完工对外开放。十年来红砂岩石材建筑外墙不同部位出现面积或大或小的微生物病害、表面污染与变色，其分布范围及轻重程度存在着较为复杂的情况。为处理红砂岩墙体微生物病害和墙体变色等问题，2011年起南越王宫博物馆对建筑墙体进行了数次清洗与试验研究，收集了一批原始数据。2021年，南越王博物院与广州市白云文物保护工程有限公司合作，开展“南越国宫署遗址保护范围内环境整治项目”，对建筑外墙进行清洗保养维护，采取多种科技手段，有效地遏制污染物的滋生和发展，降低红砂岩幕墙的污染和风化速率，防止红砂岩幕墙进一步损坏。

由博物院保护和管理的不可移动红砂岩文物也存在不同程度的风化和污染病害，若要在文物本体上使用新的材料或工艺，需经过严格的试验和论证。本文分析探讨“南越国宫署遗址保护范围内环境整治项目”采用的工艺、材料及保护技术措施，对红砂岩石质文物保护可起到的参考借鉴作用。

1 红砂岩石材的风化与病害

红砂岩主要由石英构成，因包含铁的氧化物（如赤铁矿等）而呈现红色。红砂岩的岩性特征是呈片状分布、较疏松、吸水率大，水分与可溶盐容易在其中迁移，水对红砂岩的侵蚀及软化作用较强。经检测，可溶盐主要种类为硫酸盐、硝酸盐和氯化物，其主要来源有岩石本身、酸雨、酸雾、地下水。广州地下水资源丰富，临近南海，属亚热带海洋性季风气候，春、夏季降雨较多，秋、冬季降雨较少，四季潮湿、干燥交替。红砂岩结构松散，在这种水文、气候条件下，经反复吸水失水循环、冬季失水后，可溶盐在循环重结晶过程中反复产生应力，压迫岩石孔隙壁，使其碎裂酥粉，最终导致红砂岩产生酥碱、粉状脱落及片状脱落等风化现象②。风化后的红砂岩出现了更大的孔洞、断层等，整体性、稳定性均下降。且形成的孔洞使水分和可溶盐更易在其中迁移，又为微生物的生长提供良好条件，微生物或苔藓类也随之吸附生长，形成微生物病害，加速了红砂岩文物风化，形成恶性循环。

1.1 南越王博物院红砂岩幕墙风化与病害状况及原因

南越王博物院王宫展区红砂岩幕墙于2010年安装完成，其石板外表面为粗糙凹凸纹理。通过较全面现场勘测，发现的问题有：

①微生物病害③。红砂岩墙体表面的微生物主要包含霉菌、苔藓等。微生物的侵蚀作用加速了红砂岩墙体的风化，对建筑的安全和寿命产生影响。

②表面污染变色。大气中的灰尘、微生物死亡后的“残骸”吸附在墙体表面，导致红砂岩墙体表面发生变色，影响了红砂岩墙体的外观。

③裂隙。红砂岩幕墙受雨水的冲刷和风化作用，砖与砖之间的灰浆大量流失，影响了墙体的结构稳定性，导致墙体局部开裂。

④表面粉化、剥落。外力扰动、水盐破坏、温度周期变化等导致红砂岩表面酥粉，表层片状、板块状剥落。

经过较长时间的监测分析，我们初步认为导致红砂岩幕墙风化与病害的主要因素有以下几个：

①雨水携带灰尘黏附于石材表面，红砂岩石材较高的吸水率加速了污染的进程。

②酸雨的作用。酸性雨水的侵蚀导致红砂岩吸水后晶胞膨胀、失水时晶胞收缩，干湿变化会加速其风化，导致红砂岩强度降低、表面更加粗糙，部分原本就有缺陷隐患的石材出现开裂、破损，吸水性进一步增加，污染更加严重。

③干湿的影响。红砂岩内部含大量蒙脱石一类的黏土矿物，可吸收大量水分，吸水后晶胞膨胀，失水时晶胞收缩，因而干湿变化会加速其风化。外立斜面幕墙风化、发黑相较于垂直立面的幕墙更加严重。这是因为斜面幕墙更容易大面积接触雨水，而垂直立面幕墙由于角度为90度并受到女儿墙滴水线的保护，相对干燥。

④温度与风力的影响。博物馆红砂岩幕墙位于室外，广州气候环境特点使幕墙长期受到风力剥蚀、温差变化等各种自然因素的影响。

1.2 南越王博物院红砂岩文物风化状况及原因

南越王博物院红砂岩文物经历千年岁月的流逝，历经沧桑，遭受着不同程度的风化腐蚀，岩石结构较原岩松散，部分已脱落，还有盐析的白色斑点覆盖其上。导致这些问题的原因分析如下：

①出土前，影响石质文物风化的主要因素有岩性和岩体结构、地下水环境、植物微生物等。

②出土后，部分遗址本体采用覆盖露明方式展示，使文物本体失去原有的绝氧保护层（历代层叠的土层），受空气环境因素影响加大，还有来自人为因素的污染。

综上所述，南越王博物院不论是现代红砂岩幕墙还是古代文物，都面临同样的风化与病害等问题。随着时间的推移，情况日益加重，对红砂岩石材的研究和保护变得刻不容缓。

2 不可移动红砂岩文物与红砂岩幕墙材质的基本性质

针对红砂岩的风化与病害问题，文物保护工作者对王宫展区红砂岩幕墙与南越文王墓墓室、曲流石渠遗址的红砂岩文物采用了无损或微损的检测方法进行对比。发现红砂岩幕墙与红砂岩文物在吸水性、强度这两项石材基本性能的关键指标上接近（表1）。利用偏光显微镜、扫描电镜（SEM）等手段观察，发现红砂岩文物的微生物病害滋生、表面污染、粉化与片状剥落等情况与红砂岩幕墙也有相似之处。由此推断，在红砂岩幕墙的清洗和保护过程中，探索适用于红砂岩文物保护的材料和工艺的设想是合理的。

3 红砂岩幕墙清洁与保护技术措施

红砂岩幕墙清洁与保护包含三个方面的内容：一是彻底清洁红砂岩的各类污染物，恢复外墙清洁状态；二是对开裂、缺失部分进行修复，保证外墙的完整性；三是对红砂岩幕墙进行防风化和加固处理，提升其抗污染能力并延缓风化速度。

技术措施与技术路线依次为：微生物病害治理→表面清洗→局部更换修补→渗透加固→抗渗憎水（防风化保护）→幕墙顶面阻水带施工。

3.1 红砂岩幕墙清洁保护材料

有机硅氟系列材料用于石材加固及养护已经有大量的研究成果和应用实例④，具有较好的效果。王宫展区红砂岩幕墙的主要矿物成分与有机硅材料具有很好的相容性。根据砂岩实际情况及多次测试，本次红砂岩幕墙保护及加固所使用的主要材料如表2。

3.2 微生物病害治理

采用去离子水喷洒微生物残骸沉积部位，充分润湿并软化附着于石材表面的污渍。对于较厚的黑色微生物混合灰尘污渍，采用软毛刷配合去离子水反复刷洗可刷洗掉大部分，剩余部分在表面清洗阶段处理。

3.3 表面清洗

正式施工前，技术人员对两种表面清洗措施—微粒子喷射清洗和高压水枪清洗进行了试验评估。试验表明，高压水枪能确保红砂岩基材安全，并极大地提升清洗效率，可作为大面积清洗的首选措施。

3.4 局部更换修复

红砂岩幕墙个别板材出现了破损、缺失或开裂，影响了外墙的整体性和安全性。破损严重或缺失较多的板材采取同类同规格红砂岩板材更换，开裂的板材则采用红砂岩石粉调和修复砂浆进行填充修复。

3.5 渗透加固及防风化保护

对红砂岩幕墙板材进行渗透加固和防风化保护是项目施工的重点。第一步是进行加固剂喷涂。采用电动喷壶，自上而下喷涂，要求加固剂完全润湿石材表面，用量不低于0.3 L/m2，共喷涂3遍。加固剂施工后需养护72 h以上再进行防风化保护施工。第二步是进行砂岩保护喷涂。防风化保护喷涂方式与加固剂喷涂方式相同，喷涂2遍，累计用量不低于0.1 L/m2。

3.6 幕墙顶部阻水带施工

幕墙顶部有宽度10 cm多的平台，导致雨水在平台停留后形成表面流水，对幕墙产生污染。这种类型的污染在摩崖石刻上较为常见。

借鉴石窟寺、石刻等文物保护中常用的窟檐保护思路，结合王宫展区幕墙的结构特点，在顶部平台稍靠外的区域设置高度约1 cm的阻水带，阻止雨水沿幕墙外立面流下形成污渍痕迹。阻水带采用定制的硅酮石材胶，颜色与幕墙红砂岩颜色一致，操作时先在墙体顶部区域贴设美纹纸，再用胶枪打胶形成阻水带，打胶完毕后撕除美纹纸，不会影响建筑外立面。

4 红砂岩幕墙清洁与保护效果评估

实施红砂岩幕墙清洁与保护前，施工单位针对红砂岩板材的强度和吸水性等关键指标进行检测⑤，结果记录如表3所示。

2021年幕墙清洁与保护作业完成后，检测结果显示，通过清洗、加固和防风化保护处理，红砂岩的吸水性显著降低，表面强度增加，达到了预期目标（表4）。

完工后3年，实施区域的幕墙外观上仍然维持了较好的清洁度。2024年3月16日，施工单位再次对外墙红砂岩的性能指标进行检测。结果显示数据与完工时相当，证明保护材料的效果维持较好（表5）。

5 红砂岩幕墙清洁与保护对红砂岩文物保护的借鉴作用

基于在文物本体上使用新的材料或工艺要经过严格的试验和论证才能实施的基本要求，南越王博物院与相关文物保护机构合作，开展了红砂岩幕墙的清洁与保护工作，针对红砂岩幕墙表面的微生物病害、表面污染与变色、裂隙、剥落和表面粉化等病害进行治理，通过清洗与防治，消除现有病害，并有效遏制污染物的滋生和发展，降低红砂岩幕墙的污染与风化速率，防止红砂岩幕墙的进一步破坏。在此基础上观察和论证新、老红砂岩之间共同防治方法的可行性。通过对实施效果进行的跟踪检测、评估，本文就项目所采用的工艺及材料对于未来红砂岩石质文物保护可起到借鉴作用分析归纳如下。

5.1 有机硅氟类化合物材料保护效果良好

水在红砂岩石材的风化过程中起着极其重要的作用，有机酸的入侵，生物的附着生长，岩石膨胀、白斑的形成，弹性模量的降低等，这些都是水分进入红砂岩内部引起一系列的物理、化学变化导致的。因此，如何最大限度地防止水分进入石质文物内部就是防止石质文物风化的首要问题。有机硅氟类化合物的分子结构特性能够在红砂岩表面及微孔隙内表面形成疏水层，从而有效地阻止外界水分的渗透，阻止各类污染和腐蚀性物质与红砂岩发生接触和反应。鉴于红砂岩本身的主要矿物成分与有机硅材料具有很好的相容性，有机硅氟类材料可以与红砂岩通过化学键形成牢固结合，同时有机硅氟材料具有很高的化学键能，在自然界的光热作用下能够保持稳定，达到长久保护的目的，符合建筑外墙一级文物的保护需求。有机硅氟材料在现代建筑外墙保护上的应用被验证有效后，可作为红砂岩文物的保护及加固材料。

5.2 清除红砂岩文物中的微生物及有机酸才能增强保护剂效能，延长保护时间

石质文物表面和裂隙中残余微生物及其分泌的有机酸会腐蚀降解石材保护剂，有机硅氟类化合物保护剂会因遭受酸碱腐蚀、微生物降解而老化失效。因此，工序的第一步与第二步分别是微生物病害治理与表面清洗。选用去离子水进行抗菌清洁，避免腐蚀性物质引入。在施工过程中还对微粒子喷射清洗与高压水枪清洗两种表面清洗措施进行了试验评估。微粒子喷射以压缩空气为动力，将磨料以一定的速率喷向被处理的物体表面，以达到去除污垢、氧化皮、铁锈等杂质的目的，但清洗效率较低，不适合大面积作业。高压水枪在控制好角度、距离的前提下，对红砂岩基材安全，能极大地提升清洗效率，可作为大面积清洗的首选措施。尽管两种措施都能较有效地清洁红砂岩表面污渍，但高压水枪清洗只适合红砂岩幕墙，红砂岩文物更应该选择冲击力小的微粒子喷射清洗方式。

5.3 设立阻水带及修复裂隙防水作用效果明显

除了现在室内露明保护展示的南越文王墓墓室和南越国宫署曲流石渠遗址外，红砂岩石材的清洗和保护对其他户外砂岩文物的保护同样有借鉴作用。

相对于室内较好的保存环境，暴露于室外的红砂岩文物更容易遭到水盐和微生物的破坏，出现断裂、酥碱、剥落等风化现象。经过分析，雨水从幕墙顶部沿石材表面流下的过程加重了污染程度。这是由于雨水将幕墙顶部平面日常累计的灰尘冲刷并流经石材表面，增加了幕墙表面的污染物数量。因而消除这部分影响就可以降低幕墙的污染速度。施工单位通过借鉴石窟寺、石刻等不可移动文物保护中常用的窟檐保护思路，在幕墙顶部设置高度约1 cm的阻水带，起到类似窟檐的作用，阻挡雨水沿幕墙外立面流下。

此外，红砂岩石材产生裂隙会导致其吸水性进一步增加，腐蚀性物质更容易深入石材内部，加速污染和风化速度。采用弹性的硅酮石材胶作为黏接剂混入红砂岩石粉来填充裂隙，一方面修复了外观，另一方面也阻止了雨水及其内含的腐蚀性物质对于石材的侵蚀，有效保护了石材幕墙。硅酮胶具有良好的弹性，能够适应石材幕墙在温度变化过程中的热胀冷缩，不被破坏，具有长效性。

5.4 立面角度对室外红砂岩影响较大

红砂岩受污染变黑的影响因素主要包括物理因素（温度、湿度、风向）、化学因素（酸雨、有机物附着污染）、生物因素（霉菌、微生物、苔藓等）。同一范围内的红砂岩，其污染变黑程度、大小与其立面角度存在较大关系。根据对王宫展区红砂岩建筑外墙观察，不同立面外墙污染情况各不相同。其中东门入口处外墙的污染程度最为严重，整面墙体全部发黑，已经掩盖了红砂岩石材的本色。该面外墙与其他外墙相比有一个显著特点：为非垂直立面，自上而下从西向东倾斜。这就为大气中的灰尘提供了一个水平方向的托面，灰尘更容易沉积，日常降雨难以冲刷，导致该部分外墙的污染情况尤其严重。

6 结语

红砂岩的岩性呈片状分布、较疏松、吸水率大，其结构松散，易产生酥碱、脱落，因此防止砂岩微生物或苔藓类吸附生长，防止因潮湿、干燥交替形成微生物病导致红砂岩风化，历来是砂质文物保存、保护的难题。南越王博物院在幕墙的日常保养维护工作中有意识地开展红砂岩文物保护的探索性、实验性工作，利用新建石材作为试验地，其实践获得的经验对砂岩文物的保护具有启示意义。

“南越国k3cpyzaioyWC4TunrcpihSZIUfndfUe+m9HxwiXRhJA=宫署遗址保护范围内环境整治项目”对红砂岩幕墙采取的方法是清洁红砂岩的各类污染物，应用有机硅氟系列材料对红砂岩幕墙进行防风化和加固处理，提升其抗污染能力并延缓风化速度。经过项目实施后数年的观察、验证，所采取的清洁、保护和加固措施能够有效减缓红砂岩幕墙的污染与风化，持续保持建筑外立面的整洁和美观，基本达到预期效果。本文通过分析南越王博物院红砂岩幕墙与不可移动红砂岩文物的风化、病害状况及二者共通性，评估幕墙清洁与保护技术措施的效果，进而探讨新材料对文物本体保护可起到的借鉴作用，为未来红砂岩幕墙保养维护技术的提升推广，乃至红砂岩文物本体的保护，提供有力的数据支持。

尽管新、老红砂岩具有一定共通性，但毕竟二者性质不同，在保护材料和技术的应用上存在差异，建筑装饰的红砂岩幕墙对于新材料、新技术的使用更加开放和包容，而红砂文物必须使用经过严格验证的材料和技术。比如，针对幕墙砂岩石片的开裂、缺失部分进行修复的方式对文物而言就不适用。虽然本次红砂岩幕墙的日常保养维护在展现其外观效果和保证其安全性方面取得了一定进展，积累了一些经验，但对红砂岩文物本体的防治保护仍需保持谨慎、敬畏的态度，确实有效保护好祖先留下的文化遗产。

注释

①蒋晓东，曹建劲.广州红砂岩文物保护新方法[J].热带地理，2014（1）：9-13.

②汪洋，夏勇，李宏松，等.两种砂岩类石质文物材料耐候性及表面劣化实验研究[J].安徽大学学报，2014（5）：62-66.

③中华人民共和国国家文物局.石质文物病害分类与图示：WW/T 0002-2007[S].2008-03-01.

④张秉坚，倪小蒙，沈飞.不可移动石质文物的定期保养维护[J].石材，2024（2）：1-4；张妙发.有机硅材料用于石材保护的研究[J].石材，2007（4）：26-27；周玉迪，汤毅，江滔，等.有机硅复配液及其对红砂岩石材抗菌及强度的影响[J].广州化工，2014（7）：48-50；王昊.石质文物清洗技术研究综述[J].中国文物研究科学研究，2018（1）：81-88.

⑤侯志鑫，者瑞，张中俭，等.基于里氏硬度计无损测量方法评价石质文物的风化程度[C]//王思敬.2018年全国工程地质学术年会论文集.北京：科学出版社，2018：384-387．