石质文物的风化及其保护

风速 （ m/s ）
13．9 28．3 38．3
法向投向的表面压力（厘米水 柱）
1．2 5．0 9．0
风速为 32.0m/s, 层压力为 5.9pa. 物因素 也是侵蚀
石质文物的重要因素之一。虽对生物来说，石头是相当艰难的生存环境，生物对石质文
物的破坏作用尽管缓慢，但是累积效果不可小看。据初步估计有 20% 到 30%的石头表
层腐蚀是生物作用的结果。生物对石质的破坏，外在表现是污染，即石质表层的雕刻文
饰、铭文等文化特征变得模糊不清。内在破坏是植物得根，微生物得菌丝穿透石刻导致
本文分三部分：一：岩石的概况；二：石质文物的风化因素和机理；三：石质文物 的保护方法；四： ASO-B 的加固憎水实验。
一 岩石的概况
自然界的岩石按地质学上岩石的成因来分，分为三大类：岩浆岩；沉积岩；变质岩。 这三种岩石在外观形貌上表现出不同的特征，如，岩浆岩呈现出玻璃态，沉积岩呈现层 状结构，变质岩常表现出岩层严重错位、变形等。但是这三种岩石在成岩矿物的种类和 岩石的内部构造上具有共性。
前言
石材是最古老的建筑材料和艺术雕刻材料，中华民族数千年灿烂的文明为我们留下 了许多令世人瞩目的石质文物及古迹，它们是人类的宝贵财富，是不可再生的无价文化 遗产和旅游资源。从石器时代的岩画石器、打磨砍砸石器到历代的石窟造像、经幢石塔、 牌坊石桥、石碑石雕和各类石质古建筑等这些石质文物大部分暴露于自然界的风化环境 中，遭受来自生物和微生物、酸雨、可溶盐、水、风、光、等多方面腐蚀因素的损害。 天长日久而导致石质文物表面纹饰不清、酥碱、粉化、剥落，岩体裂缝、滑坡、石窟寺 坍塌等症状。
1. 成岩矿物的特征 构成岩石的基本单位是矿物，成岩卡矿物主要有以下几大类：硅酸岩类、碳酸岩类、 硫酸岩类、磷酸岩类、硝酸岩类、硼酸岩类、铬酸岩类等。其组成及特征分别阐述如下： 1.1 硅酸岩类 包括钾长石 K[AlSi3O8]、钠长石 Na[AlSi3O8] 、钙长石 Ca[Al2Si2O8]、 白云母 K2Al4[Al2Si6O20](OH)4、金云母 K2Mg6[Al2Si6O20](OH,F)4、橄榄石(Mg,Fe)2[SiO4]、 透辉石 CaMg[Si2O6]、透闪石 Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2、硅辉石 Ca[SiO3]、蛇纹石 Mg6[Si4O10](OH)8、红柱石 AlAl[SiO4]O、沸石 CaF2 等。硅酸岩类矿物是构成岩石的最主 要矿物，是地壳的物质基础，总重占地壳矿物的 80%。其中石英、长石、云母、角闪石、 辉石、橄榄石为最主要的组成矿物。 从化学组成上可以看出，这类矿物中 SiO2 含量最高。其性质稳定，耐酸、耐碱、
石质文物的风化及其保护
99 级文物保护技术专业
杨颖东 罗 敏
摘要：本文从石质文物的内因（岩石自身）和外因（所处环境）两方面考虑，分析了石质文物风化的各种原因和机 理并综述了石质文物保护的现状及整套保护方法。并对新型文物加固和憎水剂 AS0-B 在砂岩和石灰岩中的应用做了 初步实验。 关键词： 石质文物 岩石 风化 加固 保护 ASO-B
大足宝顶山摩崖造像砂岩在干湿状况下力学强度测试结果表
风化状 态 新 鲜
弱 风 化 强 风 化 剧 烈 风化
试验状 态 干 湿 干 湿 干 湿 干 抗拉强度（kg/cm2） 24．7 22．5 12．2 6．7 5．0 2．6 抗压强度（kg/cm2） 560 500 275 154 122 63
湿 2．2 5．3
在岩石矿物中长石是一种不稳定的矿物，当水中溶解有二氧化碳时，它与水中的 H+结合形成 H2CO3,长石中的 K+和 Na+等离子被化合成 K2CO3 或 Na 2CO3 随水流失,同时析出部 分 SiO2 也随水流失,而大部分 SiO2 形成蛋白石沉淀.
2.1.2 水化作用某 些矿物与水作用的同时能吸收水,使水分作为自己的组成部分而形成新的矿物(水 和盐),这种现象叫做水化,矿物水化后体积膨胀对周围其他矿物颗粒产生压力;同时形 成的新矿物硬度一般较原矿物低,减弱岩石抵抗风化的能力.一些矿物进行水化作用时 随着外界空气稳湿度的变化而频繁吸水、失水，随之产生的结果是矿物体积频繁膨胀收 缩 ，最后导致岩石疏松瓦解。 例如石膏和砂岩，石膏经水化作用后水分子并非简单的混入，而是进入新矿物的晶 体结构中而成为结晶水，体积膨胀 60%，产生 1.1×108 帕的压力,足以破坏石刻使其脱 落。在砂岩中胶结物多为泥质，少数为钙质、硅质，而泥质中又以绿泥石、水云母和高 岭石为主，泥质胶结物的微粒特别是直径在 1um 左右的微粒，在饱水状态下容易发生水 化作用，这是一种物理化学变化，泥质水化的结果在泥质微粒的四周形成一水化层，致 使泥质微粒体积增大，砂岩的体积膨胀。反之，在干燥状态下，随着砂岩中的水分蒸发， 泥质微粒四周的水化层缩小，以至完全消失，这又使得泥质微粒的体积变小，造成砂岩 体积收缩。这种干湿交替产生的应力使得砂岩产生微小裂隙和沙化或片状脱落。水分首 当其冲浸入石刻表层。它是受水分浸入影响的最大部位，使体积收缩和膨胀最剧烈的地 方，即古代石刻上最有文物价值的地方被破坏。当然也有水份冻融破坏的因素。 2.1.3：冻融和冰劈作用 暴露旷野中的石刻冻融和冰劈作用也是很严重的一种破坏因素。浸入岩石空隙中的 水其结冰时体积膨胀 9.1%，产生强大的压力可达 2000kg/cm2,超过了破坏花岗岩所需压 力的 40 倍，从而扩大原有空隙，在石刻表面产生微裂隙，冰融化成水后，水填充微裂 隙，并继续向石刻内部浸入。如此反复冻融冰就象楔子一样使石刻出现了由小到大的裂 纹及表面剥落块。 2.2 热力作用 岩石是热的不良导体，白天石质文物在下阳光暴晒，温度很快升高，表面体积膨胀 而内部很少受到热力的影响夜间当岩石逐渐冷却收缩时，内部却因缓慢传入的热力影响 而膨胀，如此表里不一的胀缩致使石质文物因热力作用而受到破坏。 当一个整体为灰岩的岩体存在砂岩和泥岩夹层时，其热物理性能与灰岩存在差异。 平均导热率λ ，灰岩为 2.40w/m·k,砂岩为 1.66 w/m·k,泥岩为 1.92 w/m·k；平均比 热 C 灰岩 887J /kg· K,砂岩 972 J /kg· K，泥岩 1634 J /kg· K，加之热膨胀系 数的差异，在石刻岩体夹层之间要产生很大的应力，这就是造成石质文物顺层理裂纹和 劈裂的一个重要因素。 2.3 风力剥蚀 除生物因素、水、可溶盐等破坏因素之外也，风力剥蚀是对石质文物产生破坏的一
岩石颗粒与胶结物之间并非都十分紧密，而是常有很多空隙存在。即就是原来胶结 紧密的岩石由于胶结物的不稳定性，经过腐蚀逐渐损失减少，导致产生较大的空隙。这 种空隙是岩石风化的致命要害，常由于水和其他有害物质的侵入使岩石变成一盘撒沙而 土崩瓦解。因此除了形成岩石矿物质的本身特征之外，空隙度的大小成为岩石抵御风化 能力的标志，空隙度越大，耐腐蚀能力越低。但是空隙度也成为石质文物渗透加固的前 提。
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耐腐蚀。SiO2 的大量存在为文物保护材料上有机硅系列保护剂的开发提供了可能性和广 阔的空间。
长石族矿物是地壳中分布最广的矿物，约占地壳总重量的 50%。它是大多数岩浆岩、
变质岩及某些沉积岩的主要或重要造岩矿物。长石不稳定，在热液和风化作用中很容易
变成白云母、叶蜡石、高岭石等层状硅酸岩。如:钾长石与空气中的二氧化碳和水反应
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个重要因素。风力可使石质文物表层已经疏松的颗粒剥蚀掉，暴露出新的表面，使风化
作用向深层发展。除此，风力也是水向石头内部更深方向渗透的动力。风雨交加，共同
腐蚀文物。例如四川地区多刮北风和西北风，风力最大达 8—10 级，风速在 28.5m/s
左右，常伴有雾和霜。空气湿度常年较大，最高可达%90 以上。四川气候的另一特点是
来自百度文库
风伴随着雨，雨中夹杂着风，风雨交加。暴雨在短时间内可提供大量的力，其中一小部
分雨水渗进岩石表层，大部分在石头表层形成水帘，水帘还要受到风的继续压力，使水
的渗透更加厉害，在风与表面直角的方向倾向岩石表面时，几个风速下的压力见下表
风速与压力的关系表
10 级风的 28.5— 形成的表 4.9—
2.4 生 生物
就可变成白云母，反应如下：
6 K[AlSi3O8]+2H2O+2CO2==== K2Al4[Al2Si6O20](OH)4+ 12SiO2+2K2CO3
（钾长石）
（白云母）
斜长石 Na[AlSi3O8]—Ca[Al2Si2O8]作为碎屑矿物经常出现在砂岩中，斜长石在酸性 热液中很容易变成绿帘石族矿物、绢云母和方解石等。在风化作用中容易变成蒙脱石、
1.5 硝酸盐类 常见的是钠硝石 NaNO3 和 KNO3，这两种矿物易潮解，易溶与水，易 流失。钠盐和钾盐石常在石质文物表层下面呈白色结晶析出，并产生结晶压力而导致石
质剥落。
2 岩石的结构特征
一个大的岩石可以看成石由两部分构成,即岩石颗粒和胶结物。岩石颗粒构成骨架,
胶结物作为填充并其胶结作用,它们并按一定的胶结类型共同构成一个岩石体。岩石的
膏之间的转变引起的体积变化。
CaSO4·2H2O=== CaSO4 + 2H2O
74.2 cm3
46.0 cm3
2 × 18.0cm3
在常压下,不含盐的水中,42℃以上石膏可变成硬石膏,含盐时(NaCl 超过 23.3%),20℃
就可相互转变。于田野中的硬石膏质文物吸水形成石膏,体积增大 61.3%,由于这一涨缩
多天然溶洞溶岩奇观都是这一原因造成的。二是方解石在含镁溶液的交代作用中可转变
成白云石，在这一转变过程中体积要缩小 12.55%，因此岩石将产生空隙。空隙对石质
文物石很不利.
1.4 磷酸盐类 在文物中常见的石磷灰石 Ca5[PO4]3( Fl,Cl,OH),常出现在沉积岩中， 形成隐晶质块状集合体称磷块岩，其性质与石灰岩相似，也不耐酸。
高岭石等粘土矿物。
1.2 硫酸岩类 包括重晶石 BaSO4、天青石 SrSO4、硬石膏 CaSO4、石膏 CaSO4·2H2O、 胆矾 CuSO4·5H2O、芒硝 NaSO4·10H2O 等。硫酸岩类矿物占地壳总质量的 0.1%,含量较少。
在这类矿物中，在石质文物中影响较大的石硫酸钙，这种危害主要来自硬石膏和石
从上表可以看出，除新鲜岩石外，其余都下降很大，风化的岩石被水溶蚀过后，其 强度仅为溶蚀前的一半。
岩石中矿物溶解于水时，其溶解度大小依次为，方解石＞白云石＞橄榄石＞角闪石 ＞长石＞云母＞石英。极易溶解的是钾和钠的氯化物；易溶的是钙和镁的氯化物；较难
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溶的是钙和镁的碳酸盐；难溶的是铁、硅和铝的氧化物和硅酸盐。此外，溶解度的大小 还取决于水的温度、压力、PH 值等因素。
将导致石质文物产生裂隙和片状剥落。
1.3 碳酸盐类 包括方解石 CaCO3 白云石 CaMg[CO3](OH)2 菱镁矿 MgCO3 钙铈矿等。 碳酸盐类矿物占地壳总重量的 1.7%，含量较少。方解石和白云石是其中最重要的两种
矿物。对这类材质的石质文物来说不利因素有以下两方面，一是遇酸液很容易溶蚀，许
二 石质文物的风化因素和机理
野外石质文物的风化形态有五种：溶蚀、裂纹、脱块、空鼓、劈裂。其风化因素 有以下几种：
2.1 水害 2.1.1.液态水的溶解作用 岩石中的矿物成分溶于水的过程称为溶解作用。在岩石 接触到液态水后，由于水是强极性溶剂，能与极性型和离子型分子相互吸引，而大部分 岩石矿物都是离子型化合物，因此它们都能溶于水，溶解的结果作用的结果使岩石中易 溶矿物（胶结物）被溶解而随水流失，难溶物质则残留于原地。岩石中可溶物质被溶解 后，致使岩石的空隙度增大，降低了岩石颗粒之间的结合力，因而也就降低了岩石的坚 硬程度，力学强度大幅下降。导致更易风化。有人曾对大足宝顶山摩崖造像的岩石在风 干和饱水的状态下，按风化程度即新鲜岩石，弱风化岩石，强风化岩石和剧烈风化岩石 进行了力学强度测试，结果如下：
颗粒大多由石英,长石,角闪石等矿物担任,胶结物由隐晶质,微晶质、显晶质、非晶质的
硅质、磷质、铁质、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐等矿物组成，这些胶结物大多是易溶解和
易流失的。
岩石的胶结类型指岩石颗粒与胶结物之间的关系，常有以下几种方式：（1）基底
2
式。（2）空隙式。（ 3）接触式。（ 4）溶蚀胶结。如下图所示