平遥古城墙毛细水上升控制方法探索性研究

□ 王立志 黄继忠 任建光 梁喜平

平遥古城墙毛细水上升控制方法探索性研究

□ 王立志 黄继忠 任建光 梁喜平

古建筑墙体毛细水上升受古建筑墙体的水分进入量、蒸发率以及古建筑材料的微观结构特性三方面的影响。在分析毛细水上升影响因素的基础上，探索性地提出了毛细水上升控制的三大原则，对毛细水上升控制方法的种类进行划分。根据平遥古城墙的具体情况对各种毛细水控制方法进行全面的分析，按照对古城墙原貌的破坏程度、控制效果、实施难易程度、成本费用的优先顺序综合对比确定毛细水控制方法在平遥古城墙防风化保护中的可行性顺序如下：修复石膏法、古城墙表面加热方法、古城墙墙基底部通风方法、化学阻隔方法、古城墙墙体旁修建地下排水渠的方法。横截古城墙墙体嵌入不透水阻隔层的方法、古城墙墙体建造拱形断面的方法以及大气虹吸管的使用在平遥古城墙防风化保护中并不可行。

平遥古城墙，毛细水上升控制方法，可行性分析

一、古建筑墙体毛细水上升控制方法选择的理论原则

（一）古建筑墙体毛细水上升影响因素

平遥古砖墙属于典型的多孔古建筑材料，多孔古建筑材料水分的吸收和运移是一个复杂的多相位现象，而且受到多种不同驱动力作用的影响[1]。

受孔隙曲率和砖墙表面水汽蒸发的影响，毛细水最大上升高度在实际的砖石建筑中要比理想毛细管低很多，毛细水最大上升高度就是所谓的“均衡线”，可以在视觉上将潮湿区域与干燥区域较为清晰地分离开来。尽管在砖石建筑中存在着几乎稳定的“均衡线”，稳态的毛细水上升过程是存在的。毛细水最大上升高度取决于进入古建筑墙体的水分含量、蒸发率以及古建筑材料的微观结构特点（孔隙的大小和数量、孔隙间的非连通性等）[2]。毛细水最大上升高度实际上就是毛细水上升引发的水分吸收和蒸发造成的水分损失之间达到“动态”均衡时的状态。地下水位埋深（影响水分吸收）与局部地区小气候和空气的流通（影响蒸发率）可能随着季节变化而波动，从而引发毛细水上升高度的季节性波动[3]。经过对一些古建筑墙体的现场观测发现，毛细水上升高度通常为0.5~1.5米[4]，有的可达4米甚至更高[5]。实际上毛细水上升高度取决于墙体的厚度和蒸发环境。在罗马圣贝尔纳多教堂中，墙体的厚度为4米，上升潮气可达5.3米[6]。而在威尼斯圣马可教堂前厅，墙体厚度为0.7~2米，并且在表面有大理石板，毛细水上升高度可达6米，会对拱顶处镶金艺术作品产生一定威胁[7]。

（二）古建筑墙体毛细水上升控制原则和策略

由于古建筑墙体毛细水上升受古建筑墙体的水分进入量、蒸发率以及古建筑材料的微观结构特性三方面的影响。古建筑墙体毛细水上升的控制应遵循如下三大原则：

1.尽可能减少墙体水分进入量

2.尽可能增大水分蒸发率

3.改变古建筑墙体结构及材料特性来降低墙体的整体吸水能力。

根据以上原则，有一些策略可以被应用于控制毛细水上升，如通过修建地下的排水系统来减少进入墙体水分，通过墙基通风、墙体表面加热等策略来增大水分蒸发率，通过减小古建筑材料的多孔性、吸湿性和墙体的横断面等策略来降低墙体的整体吸水能力。

二、毛细水上升控制方法在平遥古城墙保护中的应用分析

对毛细水上升控制方法的种类进行合理和准确的划分，并对各类方法的特征和优缺点进行清晰地分析是至关重要的，可以为古建筑墙体文物保护工作的开展及研究方向的确定提供科学的理论依据。国际上已经有多种古建筑墙体毛细水上升的控制方法被尝试和研究，但是每种方法的原理和特点各不相同，所以在进行平遥古城墙防风化保护研究时，要根据平遥古城墙的具体情况对各种毛细水控制方法进行全面的分析。

1.基于减少古建筑墙体水分进入量的方法

在古城墙墙体旁修建地下排水渠的方法是基于减少古城墙水分进入量的原则，通过阻止邻近土壤的水分接近古城墙墙基来减少水分进入量，同时空的排水渠还可以在一定程度上增加古城墙墙体水分的蒸发。从实施难易程度上看，不论是夯土城墙内侧“内马道”及砖石城墙外侧地面均可以进行翻修重建，通过翻修重建基本可以实现地下排水渠的修建。从成本费用来看，该方法在修建过程中土建施工的成本费用不低。修建好之后在地表位置安装检修栅网可以保证该系统的稳定性。该方法仅仅对城墙内侧“内马道”和外侧地面进行改造，对于古城墙本身文物的原貌不会产生太大破坏，但是地震发生时地下排水渠可能会使古城墙墙基自身的结构动力特征发生一定改变。该方法对于古城墙毛细水上升的控制效果还需要系统性试验数据的分析。。

2.基于增加古建筑墙体水分蒸发原则的方法

（1）古城墙墙基底部通风的方法

在古城墙墙基底部安装通风系统，可以增加墙基处的水分蒸发从而减少毛细水从城墙墙体的上升，国外有些专家对安装通风系统这一新的控制毛细水的方法进行了相关研究。从实施难易程度上看，该方法是将城墙两侧地面翻修时在地表以下安装通风系统，在平遥古城墙处完全可以实现。从成本费用来看，安装通风系统除需要土建施工费用外，还需要相关通风设备的费用，因此成本也不低。该系统的稳定性需要进一步研究而改善，通风设备表面发生的盐结晶可能导致系统的损坏。该方法也是对城墙两侧地面及墙基进行翻修改造，改变了墙基自身的结构特征，可能在地震发生时影响其墙基的稳定，但是对于古城墙本体的原貌不会产生太大破坏。根据国外专家实验研究的结果分析，该方法对于古城墙毛细水上升的控制会有较好效果，具有很好的研究前景。

（2）修复石膏的使用

在平遥古城墙使用修复石膏剂，在通过增加古城墙表面的蒸发率来降低毛细水上升高度的同时，可以缓解可溶盐结晶所引起的城墙风化破坏。该方法比较容易实施，成本也不是很高，基本对古城墙本身原貌没有破坏，对毛细水上升控制及可溶盐结晶破坏的缓解均有一定效果。

（3）古城墙表面加热的方法

通过对古城墙墙体表面加热增加水分蒸发率来对毛细水上升进行控制是比较有效而且容易实施的，长期加热的用电量有一定成本，对古城墙本身的原貌基本没有破坏，但是由于古城墙所处环境气温和湿度存在季节性变化及日变化，该方法的效果随着加热温度及加热时间的不同而不同，为了选择合适的加热温度和加热时间，需要通过大量现场实验研究分析不同环境气温和湿度下古城墙墙体表面加热方法的有效性。

（4）大气虹吸管的使用

在平遥古城墙使用大气虹吸管的具体方法是先在古城墙墙体钻好倾斜的孔洞，后将烧制的陶土管、穿孔的塑料管或金属导管插入，并用多孔水泥浆密封，实施过程并不难，成本也不是很高。由于要在古城墙墙体钻孔，该方法对于古城墙的原貌有一定的破坏。一定情况下，由于盐分的结晶作用大气虹吸管也会损坏，影响了该方法的稳定性。许多研究表明该方法对于控制毛细水上升缺乏有效性，甚至在缺乏直接的太阳辐射或古城墙周围空气相对湿气（向墙体供给水分）较高的情况下，该方法某种程度上可能导致墙体变得更为潮湿。

3.基于降低古建筑墙体吸水能力原则的方法

（1）古城墙墙体建造拱形断面

在古城墙墙体中将墙基底部修筑成拱形断面是通过减少墙基底部的横断面积来降低古城墙墙体吸水性能，从而控制毛细水大上升。该方法需要对古城墙墙体进行较大的改动翻修，技术非常复杂，而且需要较高的费用。该方法会大规模破坏古城墙的原貌。另外这种手段会将机械压力集中在古城墙的有限部位，很可能威胁到古城墙的安全性和稳定性，特别是地震发生时更为危险。因此，从等各方面考虑该方法都不适合在平遥古城墙防风化保护工作中使用。

（2）横截古城墙墙体嵌入不透水阻隔层的方法

该方法通过横截古城墙墙体嵌入不透水的阻隔层来控制毛细水的上升。该方法技术相当复杂，需要利用线切割等方法将古城墙墙体截断，然后嵌入钢板、铅板、沥青膜、聚乙烯膜、聚酯膜或聚氯乙烯膜等不透水阻隔层，同时平遥古城墙墙体也比较厚，因此实施难度较大，费用高昂。这项方法可能使古城墙墙体的剪切强度下降，而变形能力和能量损耗增加。在地震发生时不透水阻隔层可能成为滑动平面，增加了古城墙自身结构的地震易损性。在完整的古城墙中嵌入不透水阻隔层可能会造成较差的黏附性和灰浆不能完全填充空隙，造成古城墙结构较大变化。这种方法较大规模改变了古城墙的原貌，在平遥古城墙防风化保护中并不可取，在已经发生大范围崩塌需要整体重修时可以考虑使用不透水阻隔层控制毛细水上升的方法。该方法的控制效果需要根据实际现场试验来分析判断

（3）化学阻隔方法

化学阻隔的方法是在古城墙墙体的基地部位钻孔，然后在低压条件下或者在液压下注入气孔阻塞物或者疏水材料。该方法实施比较容易，费用较低，对古城墙建筑结构稳定性不良影响有限，相较于横截古建筑墙体嵌入不透水阻隔层的方法，该方法更具有实用性。由于需要在古城墙的基地部位钻孔该方法对于古城墙原貌有一定的改变。化学阻隔方法的有效性取决于很多因素，例如水的饱和度、灰浆和砖的接触面、古城墙材料的特征和多样性、PH值、墙体中存在的裂缝和注入孔的位置、注入压力和持续时间等等。在真实的墙体中，大部分因素都难以控制，因此这些技术方法的有效性极难预测，而且许多问题仍然存在。在原位情况下对于真实的古城墙墙体难以控制注入化学防水剂的渗入深度，另外，该技术方法实施后具有不可逆性。化学阻隔方法的长期效果需要通过对古城墙进行长期的数据监测来进一步研究。

三、平遥古城墙毛细水控制方法的可行性讨论

在对不同毛细水控制方法的特点分别进行详细分析的基础上，按照对古城墙原貌的破坏程度、控制效果、实施难易程度、成本费用的优先顺序综合对比确定在平遥古城墙防风化保护上的可行性。

遵照“不改变文物原状，修旧如旧”的原则，将对古城墙原貌的破坏程度作为首要考虑的要素，分为四个层次。第一层次，对古城墙原貌破坏程度最重的是横截古城墙墙体嵌入不透水阻隔层的方法和古城墙墙体建造拱形断面的方法，这两种方法都较大规模破坏了古城墙原貌；第二层次，对古城墙本体原貌有一定破坏，大气虹吸管的使用和化学阻隔的方法都需要在古城墙墙体进行钻孔，一定程度上破坏了古城墙原貌；第三层次，是在古城墙墙体旁修建地下排水渠的方法以及古城墙墙基底部通风的方法，这两种方法对古城墙本体没有破坏，但可能改变古城墙墙基结构特点降低其稳定性和安全性；第四层次，基本对古城墙原貌没有破坏的是修复石膏法以及古城墙表面加热的方法。根据比较分析，对古城墙原貌破坏程度较重的两种方法目前暂可不考虑进行试验研究和应用。

对于不同毛细水控制方法的效果进行分析比较可知，缺乏有效性的是大气虹吸管的使用；效果较难预测的是在古城墙墙体旁修建地下排水渠的方法以及化学阻隔的方法；有一定效果的是古城墙墙基底部通风的方法、修复石膏法和古城墙表面加热的方法。根据分析可以将大气虹吸管的使用排除在选择范围之外。

对于不同毛细水控制方法的实施难易程度和成本费用进行对比分析可知，古城墙墙体旁修建地下排水渠的方法和古城墙墙基底部通风的方法实施的技术难度较大，费用较高；容易实施且成本费用不高的是修复石膏法、古城墙表面加热的方法以及化学阻隔的方法。

综合各方面分析，毛细水控制方法在平遥古城墙防风化保护中的可行性可以按照如下顺序排序：修复石膏法、古城墙表面加热方法、古城墙墙基底部通风方法、化学阻隔方法、古城墙墙体旁修建地下排水渠的方法。

四、结论及建议

毛细水上升控制方法的可行性分析不仅可以使平遥古城墙防风化保护工作有的放矢、有据可依，还为今后毛细水上升在古城墙风化的作用研究指明了方向。毛细水控制方法在平遥古城墙防风化保护中的可行性顺序如下：修复石膏法、古城墙表面加热方法、古城墙墙基底部通风方法、化学阻隔方法、古城墙墙体旁修建地下排水渠的方法。横截古城墙墙体嵌入不透水阻隔层的方法、古城墙墙体建造拱形断面的方法以及大气虹吸管的使用在平遥古城墙防风化保护中并不可行。在今后平遥古城墙防风化保护实际应用和研究中根据实际情况进行选择。另外值得相关研究学者重视的是，毛细水上升控制方法的长期效果可以通过毛细水运移模拟进行定量预测和比较，同时也需要长期现场原位监测的数据来分析研究。

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（作者工作单位：王立志，中国地质大学水环学院；黄继忠，山西省文物局；任建光，云冈石窟研究院；梁喜平，平遥古城墙管理处）