表面风化砂岩文物的加固处理

表面风化砂岩文物加固处理实探

黄辉

表面风化是引起砂岩文物产生病害的重要原因之一。本文拟从砂岩表面风化的机理入手，结合具体案例的开展，对涉及砂岩文物表面风化加固的常见病害常见病害的处理程序、常用材料和处理方法等方面的内容进行系统梳理，以勾勒出砂岩文物表面风化加固处理的合理思路。

自然风化的作用往往促使裸露在环境之中的石质文物出现表面模糊、疏松、破碎等劣变状况的发生发展。而这样的情况也会直接导致作为石质文物核心信息的表面形象的逐渐消失。在诸多的石质文物中，砂岩文物由于石材理化性质方面的原因，受到表面风化作用的影响尤为明显。因此，在涉及砂岩文物的保护修复工作中，风化表面的加固处理也便成为了需要加以考虑的重要环节。需要指出的是，作为文物保护修复的表面加固工作需要建立起一种全面、系统、科学、有序的思维指导而绝不能孤立地看待。而这就涉及到了在进行具体的加固砂岩文物的过程中针对具体的表面病害状况进行联系的合理的操作化思考与执行。

对于砂岩类石质文物的表面加固处理，大足宝顶千手观音的保护修复可以说是具有相当的典型性。另外，在本次千手观音彩绘贴金石质文物专项保护培训中，也接触到了多例具体的砂岩圆雕造像的加固处理。借由典型案例的具体分析及操作说明，本文开展探讨的主要目的也正是在于对砂岩类石质文物表面风化加固处理的合理思路进行全面梳理。

一、砂岩文物的风化作用

（一）石质文物风化作用的一般机理

气温的反复变化以及各种气体、水溶液和生物的活动使石刻岩体在结构构造甚至化学成分上逐渐发生变化，使石材由整块变成碎块，由坚硬变得疏松，甚至组成岩石的矿物也发生分解，产生在当时环境下稳定的新矿物。这种由于湿度、大气、水溶液和生物的作用，使石刻岩体发生物理状态和化学组分变化的过程，称为风化。

一般而言，根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用。

物理风化作用也称为机械风化作用，是指岩石因温度变化及岩石空隙中水和盐类物质的物态变化，使石刻岩体发生机械破坏而又不改变其化学成分的过程。物理风化是一种机械的破坏作用，其结果是使岩石由表及里地变得疏松、碎裂、崩解，形成大小不等、棱角分明的碎屑物。

化学风化作用是指岩石中的矿物成分在氧、二氧化碳以及水的作用下，发生化学分解作用，产生新的物质。这些物质有的被水溶解，随水流失，有的属不溶解物质残留在原地。具体而言，化学风化的方式主要包括了溶解作用、水解作用、水化作用以及氧化作用。

生物风化作用是指由于生物的活动而对石刻岩体所产生的破坏作用。它可分为生物的机械风化作用和生物的化学风化作用两种。一方面，生物的机械风化作用集中体现为生物的生长生存活动，如植物根系对岩石的切割。另一方面，生物的化学风化作用主要表现为生物代谢分泌物及死亡后有机体分解物对岩石成分的腐蚀分解。

岩石风化作用与水分和温度密切相关，温度越高，湿度越大，风化作用越强;但在干燥的环境中，主要以物理风化为主，且随着温度的升高物理风化作用逐渐加强；但在湿润的环

境中，主要以化学风化作用为主，且随着温度的升高化学风化作用逐渐加强.物理风化主要受温度变化影响，化学风化受温度和水分变化影响都较大。在自然界中，所有的风化作用往往是同时进行、互相影响、互相促进的，只有在具体情况下，它们才有强弱、主次之分。（二）砂岩的特性与风化作用

在地质学上，我们通常所说的砂岩是一种已固结的碎屑沉积岩。粒径为0.625—2毫米的砂粒含量占50%以上，其余为基质或胶结物。砂粒的主要成分为石英，其次为长石、云母、岩屑等。胶结物的成分有硅质、铁质、钙质。以SiO2和Al2O3为主，含量在80%以上。相较于花岗岩、大理岩、石灰岩等其他常见的雕刻用石材而言，砂岩还具有层理构造发育明显、密度及软硬度适中、孔隙率吸水率较高和常常伴生各种盐类次生矿物等特点。而这样的一些化学物理性质也决定了其是一种相对易于风化的石材。

从上文介绍的风化作用的一般机理中，我们知道，岩石的风化作用主要包括了物理（机械）风化、化学风化和生物风化三种类型。从物理风化的角度来看，砂岩所具有的层理构造、较为适中的密度硬度、较高的孔隙和吸水率和伴生次生盐类高岭土类矿物的特点有助于物理风化作用的发展：层理构造、密度硬度适中有利于温差作用的持续发展，较高的孔隙和吸水率了对水参与下的冰劈作用以及盐分等的迁移和体积变化等物理破坏作用提供了有利条件。

从化学风化的角度来看，砂岩大多数造岩矿物是硅酸盐，它们较难溶解于水中。但当水中含酸或碱度较大时，则其溶解硅酸盐矿物的能力显著加大。温度和压力也能促使矿物的加速溶解。另外，砂岩中的长石属于强碱弱酸盐类，它经水解作用而形成高岭石、氢氧化钾和二氧化硅，其化学反应式如下：

4K[AlSi3O8]+6H2O→Al4[Si4O10][OH]8+8SiO2+4K[OH]

（钾长石）（高岭石）

其中，氢氧化钾和二氧化硅呈溶液或溶胶状态随水迁移，只有难溶的高岭石呈粉末状残留下来。再者，砂岩所伴生或在表面积存的盐类等其他矿物所参与的水化作用也会导致砂岩本身化学风化的加剧。例如，附着在砂岩表面的尘土中常常含有硬石膏（CaSO4）成分。而硬石膏变为含水石膏（CaSO4·2H2O），其体积要增大30%。增大体积的过程必然对砂岩的表层结构产生强大的压力。这些又有利于物理风化作用的进行。

从生物风化的角度来看，砂岩所具有的密度硬度特征、较高的吸水和孔隙率的特征以及营养盐类物质的存在均为生物（尤其是微生物）风化作用提供了一个良好的基础环境。（三）砂岩文物表面风化的常见病害

由于砂岩文物自身易于风化的特性，因此，历史上暴露于自然环境之中的砂岩文物往往都存在着不同程度的表面风化表现。按照石质文物风化程度标准，砂岩文物的风化程度也可分为5级：

1、未风化：刚雕凿完成的砂岩文物，岩质新鲜，未见风化痕迹。

2、微风化：岩体组织结构基本未变，仅沿裂隙面有铁锰质浸染或矿物略有变色有少量

风化裂隙。

3、中等风化：组织结构部分破坏，沿岩体裂隙面出现次生矿物，风化裂隙发育。

4、强风化：组织结构已大部分破坏，岩体中的长石、云母已风化为次生矿物，裂隙很

发育，突出部位发生破碎掉块。

5、全风化：组织结构已完全破坏，模糊不清，表层呈土状堆积。

随着表面风化作用程度的加剧，砂岩文物表面在物质成分、结构构造、甚至外貌形态上必然会产生一系列不利于文物安全或有损文物外貌的变化，而这样的变化即为砂岩文物的“表面风化病害”。当然，表面风化病害只是一系裂归因相同的病害统称。按照以现状描述确定病害名称的一般方法，参照国家文物局颁布的文物保护行业标准《石质文物病害分类与图示》石质文物的表面风化病害又具体包括以下一些病害形式：