遗址博物馆土遗址病害调查与成因分析——以萧山跨湖桥遗址博物馆为例

徐燕祎，王思嘉，张秉坚1，，吴 健

(1. 浙江大学化学系，浙江杭州 310027； 2． 浙江大学文博系，浙江杭州 310028；3． 杭州萧山跨湖桥遗址博物馆，浙江杭州 311203； 4． 上海大学材料科学与工程系，上海 200444)

0 引 言

土遗址是以土为主体的文化遗产，我国现存的史前文化遗址大多是土遗址，它们见证了中华民族文明的发展，具有不可替代的历史意义与文化价值。潮湿环境土遗址的保护一直是文物保护中的难点和焦点，现有研究大多围绕保护材料的筛选[1-5]，实际上大型土遗址保护涉及一系列更复杂的问题。暴露在野外的土遗址易受暴雨、流水的冲刷和溶蚀；搭建保护棚后又易发生开裂、析盐和粉化等病害；使用化学材料进行渗透加固往往造成表面剥落等保护性破坏；当土遗址与其他材质文物共存时，由于湿度要求的差异，其保护更是难上加难。因此，了解潮湿环境土遗址的特性，监测已有保护措施的效果，研究各种环境条件下病害发生发展的机理，探索适当的保护措施是做好我国南方大型土遗址保护的基础性工作。

跨湖桥遗址位于杭州萧山跨湖桥附近，该遗址先后经3次发掘。根据14C及热释光测年，遗址年代为7000～8000年前，独木舟年代达8000年前左右[6]。2005年原址保护工程开启，先后实施了“独木舟核心区疏干排水工程”、“独木舟及木构件脱水加固定型保护项目”。2009年博物馆、遗址厅及永久性围堰等保护工程竣工，其外观见图1。遗址厅面积近2000m2，保留发掘区700m2以及未发掘区160m2[7]。由于土遗址干缩风化、产生裂隙和局部塌落等病害，2010年开展了遗址土体加固工程[8]。跨湖桥独木舟及相关遗迹位置海拔-1.5m，因湘湖水位恢复，目前处于湖面下6.5m。湖面的高湿度和顶棚铝合金钢板的导热效应，使屋顶凝水滴落问题和土遗址微生物繁殖问题严重。2012年7月至2013年6月，遗址厅完成了恒温恒湿改造工程，但土遗址的盐析以及加固层的起甲剥落等病害仍在发生。

为了解环境控制对土遗址和独木舟的影响，课题组从2010年开始对遗址厅的温湿度进行监测，测量了不同深度土壤的含水率、离子浓度、地下水离子浓度。并对改造工程前后不同位置和深度的土样含盐量等进行检测，对各区域的病害进行了定量调查，希望找出病害产生发展的主要原因，为制定相应的保护措施提供基础数据。

1 实验和病害调查

1.1 实验仪器

图1 跨湖桥遗址博物馆(左)和遗址保护厅(右)Fig.1 Kuahuqiao Site Museum (left) and its hall (right)

HTP-312电子天平，UTP-313电子天平，DHG-9023A电热恒温鼓风干燥箱，UltimaIV X射线衍射仪，330FT-IR红外光谱仪，DX-500离子色谱仪，Optima 8000电感耦合等离子体发射光谱仪，WZ-2土膨胀仪，KT303空气温湿度传感器。

1.2 遗址保护厅的分区

为了取样检测和调查统计，课题组按照加固保护状况对遗址进行了分区，取样位置和分区示意图见图2。

图2 跨湖桥遗址厅内遗址取样位置示意图Fig.2 Plane diagram of untapped area in the earthen site of Kuahuqiao Site Museum

图2中，A为遗址土堆，高出地平面约1～2m，分为12个面。其中A3、A12为土堆的上表面(平面)，其余为土堆侧面(立面)；A1～A5和A11面为水性环氧树脂加固区，A6～A10面为未加固区。B为斜面土堆，分为4个面(B1～B4)，皆为保护区。玻璃房内存放独木舟，与其他区域隔开，独立控温控湿，该区内土遗址曾采用电化学成桩法和钻孔注浆法进行了加固。①、②、③、④为土壤取样位置。

1.3 遗址厅温湿度的监测

遗址博物馆的环境对遗址的保存有至关重要的影响，为了解遗址厅改造工程对遗址的影响，课题组测量了改造前后遗址厅温湿度变化状况。利用空气温湿度传感器记录了改造前一年(2011年7月至2012年6月)以及改造后一年(2013年7月至2014年6月)遗址厅的温湿度，求出每月平均值后作图(图3、4)。其中2012年7月至2013年6月为设备安装调试期未列出。

图3 遗址厅恒温恒湿控制改造前后一年的月平均温度Fig.3 The mean monthly temperatures a year before and after the project

图4 遗址厅恒温恒湿控制改造前后一年的月平均湿度Fig.4 The mean monthly humidities a year before and after the project

1.4 遗址土壤膨胀率与含水率的测量

为了更好地了解遗址土的物理特性，课题组进行了土壤含水率与膨胀率测试，实验所取土壤样品的位置见图2，其编号和对应的位置说明如表1所示。

表1 土遗址土壤取样编号及位置说明

使用荷兰式土壤取样钻，竖直下压并转动取样器至钻头深入土体35cm，将取出的土样按每5cm深度为一组，立即用密封塑料袋包装并标记。将所取土样分别称重。将初始重量记为M1，移入玻璃烧杯后重量记为M2，于105℃烘至恒重后记为M3，计算含水率[9]。

土壤膨胀率测试参照JTG E40 2007《公路土工试验规程》[10]。将土样于105℃烘至恒重，研后移入土壤膨胀仪内，震荡平整，盖上活塞。装百分表，注水，当水与土壤高度平齐时开始计时。在第5min、10min、20min、30min、1h、2h、3h、24h记下百分表读数，计算膨胀率。

1.5 土壤中可溶盐离子含量测定

为了解改造前后遗址土壤含盐量变化，对改造前后土样中的可溶盐离子含量进行了测定，前后取样点位置相距50cm。同时，对取样位置表面附近析出的盐碱进行了取样。

首先对白色盐碱进行XRD和能谱分析，判断结晶化合物和可溶盐离子的种类。然后分别取土样1.25g，置于烧杯中加入25mL蒸馏水搅拌均匀，超声波作用30min，离心过滤，将上层清液用离子色谱仪测量阴阳离子含量。

1.6 土遗址加固材料检测

为了了解加固材料(水性环氧树脂)对病害的影响，在现场取已剥落样品，蒸馏水冲洗后超声清洗，直至样品表面无土壤黏附。然后于液氮中研磨至粉末状，加入溴化钾压片，做红外检测。作为对照，将新配制的水性环氧树脂按相同方法检测。

1.7 土遗址病害调查

根据文物保护行业标WW/T 0040—2012《土遗址保护工程勘察规范》[11]，对遗址厅内的病害分区块，按照统一标准逐片逐块进行观察和测量，以dm2为单位，用数字、符号、文字、简图和照片进行记录。

为了考察加固保护措施的影响，根据使用加固材料的情况，将调查区域分为加固区、未加固区和独木舟区(玻璃房内)，分区示意图见图2。

1.8 盐碱离子来源调查

从集井和围堰中采集水样，离心过滤后测量上层清液阴阳离子含量。查阅近几年杭州萧山湘湖附近地下水和湖水中可溶盐离子浓度[10]，将所得数据进行对比，制成离子浓度折线统计图。

2 实验结果

2.1 遗址厅的温湿度

1) 按照1.3，监测得到遗址厅改造前后一年月平均温度如图3所示。

由图3可以看出，恒温恒湿控制前，遗址厅内的温度随气候条件变化明显，冬季温度低，夏季温度高。恒温恒湿控制后，遗址厅全年温度大约在18～25℃之间，变化趋于平稳。

2) 按照1.3，监测得到遗址厅恒温恒湿控制前后一年的月平均湿度如图4所示。

由图4可知，恒温恒湿控制后遗址厅湿度比控制前普遍偏低，基本维持在70%～80%之间。实际上恒温恒湿控制前遗址厅的湿度很大，经常达到100%，导致冷凝水不断从金属顶板上落下。

2.2 遗址土壤膨胀率与含水率

1) 按照1.4，实验测得的四个取样位置的土壤膨胀率见表2。

表2 四个取样位置对应的土壤膨胀率

由表2可知，①处的土壤膨胀率小于其他三处取样位置的土壤膨胀率。

2) 实验测得四个取样位置的土壤含水率见图5。

图5 四个取样位置不同深度的土壤含水率折线统计图Fig.5 The rate of water content

由图5可知，除位置①外，其余三处土壤的含水率都是随深度的增加而增大。

2.3 土遗址表面盐碱结晶分析

1) XRD和能谱分析结果。实验所得XRD图如图6所示，盐碱中各元素重量百分含量圆饼图如图7所示。

H代表MgSO4·7H2O，W代表Na2SO4·10H2O图6 遗址表面结晶样品XRD检测图谱Fig.6 The salt detection of XRD on the surface of the earthen site

由图6可知，土体表面析出的盐碱中主要含有MgSO4·7H2O、Na2SO4·10H2O等化合物，可以初步确定遗址土体中可溶盐离子主要为SO2-4、Mg2+、Na+等。

2.4 地下水源离子调查

按照1.8，取土遗址区集井水和遗址厅周边围堰水分析，可以得到围堰水和集井水中SO-24、Mg2+、Na+的离子浓度。将实验所测的离子浓度绘成折线图，并将浙江省博物馆对湘湖水和周边地下水的分析结果列入[12]，得到离子浓度的变化趋势如图8所示。遗址外围到遗址本体，即从湘湖水→地下水→围堰水→集井水，SO-24、Mg2+、Na+离子浓度在不断增加。

图7 结晶样品能谱测量重量百分比饼状图Fig.7 The salt energy spectrum on the surface of the earthen site

图8 从遗址外围到遗址厅内各水源所含离子 浓度折线统计图Fig.8 The ion concentration of several water sources in the site and out of the site

2.5 土壤中离子含量测定结果

恒温恒湿控制前后，不同位置相同深度(15～20mm)土样所含可溶盐的阴、阳离子浓度的测量值对比结果见表3。恒温恒湿控制后，位置2和位置3(位置如图2所标)不同深度土阴阳离子千分数结果见表4。如表3所示：在恒温恒湿控制后，四处位置的SO-24质量分数均明显增大；只有位置编号为④-4土样(玻璃房内)的阴、阳离子质量总和减小，其余三处阴阳离子质量总和均增加。

表3 恒温恒湿控制前后不同位置相同深度(15～20mm)土样阴阳离子质量千分数

表4 恒温恒湿控制后两个位置不同深度土样阴阳离子质量千分数

注： -表示数量极少

由表4可知，位于中间部分即深度为15～20cm处土壤所含阴阳离子质量分数总和最大，主要是含硫酸盐相对较多。

2.6 土遗址加固材料检测结果

按照1.6， 剥落的加固材料和对照新材料的红外光谱见图9。由图9可知，其波形基本无变化。

2.7 土遗址病害调查结果

除去独木舟所在玻璃房内的面积，遗址厅内已用水性环氧树脂加固的面积为68316.6dm2，未加固区面积为3519.6dm2。按照1.7，根据行业标准对土遗址病害调查统计表明，威胁到遗址本体保存的主要病害有：盐碱、裂隙、酥碱、粉化、起翘、剥落。调查结果见表5。其中盐碱是指已完全析出的黏附在土遗址表面的白色盐类或碱类，是遗址博物馆室内土遗址常见的病害之一。

图9 剥落的加固材料(水性环氧树脂)和 新鲜对照材料的红外光谱图Fig.9 Infrared spectrograms of the control material (new) and the peeled protective material (old)表5 跨湖桥遗址博物馆内加固区与未加固区病害调查汇总Table 5 Disease statistics of protected and unprotected areas

病害种类加固区未加固区病害面积/dm2发病率/%病害面积/dm2发病率/%裂隙119.520.1899.332.82酥碱2064.103.0210.000.28粉化17367.4125.420.000.00起甲403.300.5963.501.80剥落357.830.5213.730.39霉菌蛛网20.800.030.000.00盐碱550.000.81294.008.35总计20862.1630.54186.5613.65

3 讨 论

3.1 盖棚对土遗址的影响

3.1.1露天环境中的土遗址 跨湖桥遗址所在地区属于亚热带季风气候，大气降水量大于蒸发量。暴露在露天环境中的土遗址主要受到雨水冲刷破坏的威胁。根据地质成因，跨湖桥遗址主要为湖积土，颗粒级配属黏土，受到雨水的润湿后含水量增加，体积膨胀，土粒间连接减弱，雨水的冲刷使土体发生变形和流失(图10(a))。所以，在南方露天条件下土遗址的病害主要是水土流失，示意图见(图11A)，不会有盐结晶析出问题。

3.1.2盖棚对土遗址的影响 在南方地区，盖棚是减缓土遗址流失破坏的有效方法。盖棚可以阻挡降水的直接冲刷，同时也使渗入土体的水量大大减少。由此会产生两方面的影响：其一是因土体含水量减少，土体收缩(图10(b))，产生裂隙病害。例如，跨湖桥遗址土的收缩率可达10%(表2)。其二是毛细水向上迁移和蒸发成为水运移的主要方式(图11B)，由此导致地下水和土壤中的可溶盐离子向上迁移，在遗址表面析出盐碱。

在潮湿地区，湿度经常会大于90%，当土壤温度低于空气温度时，空气中的水分在土壤中冷凝成为土壤补水和淋溶盐分下渗的途径[13]，因此这类土遗址表面的盐析现象并不严重(图10(b))。同时离子检测也可发现深度为15～20cm处所含阴阳离子质量分数总和较大。

图10 跨湖桥土遗址几次环境状况改变的典型情况Fig.10 Typical conditions of several environmental changes in the earthen site

A. 露天状况; B. 简单盖棚; C. 简单盖棚+加固保护层; D. 简单盖棚+加固保护层+恒温恒湿控制图11 土遗址病害发生机理示意图Fig.11 Schematic diagram of the mechanism of earthen site disease

3.2 已加固区土遗址病害发病率高的原因

由表5可知，在已加固区和未加固区的病害种类不同。已加固区的第一大病害为粉化(25.42%)，其次为酥碱(3.02%)；未加固区的第一大病害为盐碱(8.35%)，其次为裂隙(2.82%)。在病害总体发生率方面，已加固区总发病率为30.54%，未加固区总发病率为13.65%，已加固区比未加固区的总发病率高。原因分析如下。

1) 加固材料老化问题。从图9可知，起甲剥落的水性环氧树脂和新配制的水性环氧树脂的红外图谱峰一致。1735cm-1处为环氧树脂主要官能团C=O键的吸收谱带，2931cm-1处为C-H键的吸收谱带，没有在已剥落树脂的谱图中发现新特征峰。由此可以推断环氧树脂本身并未发生老化或其他变化，病害的主要原因需从其他方面考虑。

2) 土遗址加固层的影响。由图8可知，湘湖水、地下水、围堰水、集井水中的阴阳离子浓度依次递增，尤其是SO-24浓度呈指数递增，表明离子不断从湘湖和地下水向土遗址方向迁移聚集。很显然，可溶盐离子迁移的动力是毛细水在土壤中的向上迁移和表面蒸发。当没有加固层时，水分在土体表面蒸发后，盐离子便在未加固区表面结晶析出，形成白色或灰白色的以MgSO4·7H2O、Na2SO4·10H2O为主的晶状盐碱，如图6～7。因此盐碱是土遗址未加固区的第一大病害。当土体表面用水性环氧树脂渗透加固以后，尽管水性环氧树脂加固层具有透水性，但其没有毛细作用，毛细水的迁移到此为止，水只能如图11C所示以蒸汽形式向外迁移，出现加固层与基底土体的分离的现象，即起翘和剥离。其原因不是加固材料的劣化，而是加固层与遗址本体的相容性较差。其一是加固层与原土体的热膨胀和湿膨胀率不同：本实验已做定量测定，土体的湿膨胀比热膨胀大一个数量级[12]。土体受潮时加固层不会被润湿，如表2所示，土体却会因受潮而膨胀约10%，两层土之间产生应力差，由此导致加固层与原土体分离。其二是随着水分在加固层下蒸发，盐离子在加固层与未加固土体间结晶析出，盐结晶顶破加固层，如图12所示，造成加固层的剥离。

(a) 已加固区表层剥离和盐碱析出 (b) 玻璃房内土体表面的盐碱和土体粉化

图12土遗址表面盐碱析出和土体粉化

Fig.12Salt precipitation and soil powdering on the surface of the site

3.3 控温控湿的影响

由图2可知，遗址厅恒温恒湿改造后，全年温度在18～25℃之间，湿度在70%～80%之间，波动均小于改造前。改造后的遗址厅有利于木质文物保护。

1) 温湿度控制前。遗址厅内温湿度受外界影响明显：春冬温度低、湿度高；夏秋温度高、湿度相对低。首先，在高湿度条件下，土壤上方蒸汽压趋于饱和，土壤中水分的蒸发受到抑制，限制了盐碱随毛细水向上迁移。在春季和夏季，土壤温度低于空气温度时，趋于饱和的水蒸气会在土壤孔隙中冷凝。当遗址厅内湿度较高且金属屋顶温度较低时，水蒸气会在金属表面冷凝形成液态水滴落，这种现象在控温控湿之前经常发生。在土壤孔隙中冷凝的水分和从屋顶滴落的液态水可以将析出的盐碱溶解，使土体的含水率维持在一定水平，缓解了裂隙、起翘、剥落、盐碱、粉化等病害的产生与发展。但高湿度为霉菌的繁殖提供了条件，同时虫卵、蛛网等也伴随发生。

2) 温湿度控制后。由于人为控制了遗址厅内的温湿度，使玻璃房内温湿度的控制更加容易。但由于空气湿度降低，遗址土体内水分的向上迁移和蒸发加速，屋顶冷凝水滴落现象消失；同时，土体温度和空气温度之间的差值减小，水蒸气冷凝现象也大大减少。总体看，水分只能如图11d所示单方向向上迁移。在未加固区，由于没有加固层的阻挡，水分在土表面的蒸发速度变大，盐析过程加速，盐碱更趋严重。在已加固区，土体中的毛细水由于憎水加固层的阻隔，不能直接从加固层表面蒸发，只能在加固层下蒸发。因而使盐分在加固层下析出，加速了加固层的起甲和剥落；同时，使已加固层的酥碱和盐析发展加快。另一方面，对温湿度的控制有效抑制了微生物的繁殖。

3.4 遗址表面土粉化和表层土潮湿的原因

1) 表层土粉化原因分析。在整个遗址区，土遗址的第一大病害为表层土粉化(占25.42%)。从图6和图7可知，析出的盐碱主要含有MgSO4·7H2O、Na2SO4·10H2O等化合物，即芒硝和泻盐。Na2SO4结晶水合形成芒硝后体积会增大314%，结晶压力为83atm；泻盐的结晶压力为141atm。这些水合物可以降低饱和蒸汽压，例如在20℃条件下，Na2SO4饱和盐溶液在密闭空间的相对湿度是93%，MgSO4饱和盐溶液的相对湿度为38%。随着空气湿度的变化，MgSO4·7H2O和Na2SO4·10H2O会不断地溶解收缩和结晶膨胀。尽管遗址厅内的湿度已经被控制，但仍然在一定范围内波动，土壤中盐反复收缩和膨胀必然导致遗址表面土层不断被粉化。

2) 表层土壤潮湿的原因分析。由图5可知，改造后位置②、③、④处土壤的湿度随深度的增加而增大。这是地下水通过毛细作用不断补充的结果，只要湖水渗入，水盐的向上迁移就会如图11D所示连续发生。当地下水被隔断，例如玻璃房内的位置①周边有一圈1m宽，4m深的隔水层，土壤含水率不随深度的增加而增大。而是在距离表面较近的浅层土中出现了含水率的峰值，即在土壤表层出现潮湿层。主要原因是玻璃房内长期控湿，隔水区内土体水分向上迁移接近停止，早已迁移到遗址表面的芒硝和泻盐已成为参与玻璃房内小环境水分调节的因素之一，这些盐的吸湿性能使得表层土壤能保持一定湿度。

4 结 论

通过对跨湖桥遗址病害的调查和检测分析，可以得出以下结论：

1) 盖棚可以防止雨水对土遗址的冲刷和溶蚀破坏，但也留下了水和盐单向迁移以及土体收缩等问题。在南方潮湿地区，因空气和土壤的温湿度差，土壤微孔的水汽冷凝也是土壤补水、缓解开裂和盐析的重要途径。

2) 水性环氧树脂等树脂类表面渗透加固材料可以防止遗址土体的松散，但是难以阻止可溶盐类随毛细水的向上迁移和结晶析出的趋势。在盖棚条件下，加固层容易与基底土体剥离，其原因往往不是加固材料的劣化，而是加固层与原土体的湿膨胀等物理性能的差异，以及盐离子在加固层下结晶析出的结果。

3) 遗址博物馆内的控温控湿有利于木质文物等文物的保存。但是，有利于木质文物的环境条件很可能会造成土遗址的加速破坏，例如会加速土壤毛细水的蒸发、可溶盐的结晶析出以及表层土体的粉化。

4) 已经发现水的单向迁移是遗址博物馆土遗址病害的基本原因，因此维持土体水分稳定成为土遗址保护的新思路。本实验室已在开展相关基础研究，一种新颖的土体气-液相变补水技术的实验研究将另文发表。

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