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意大利历史和纪念性建筑物石材清洗和加固技术简介(一)

2020-12-09 14:47:02

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这里简要介绍的主要是意大利对历史和纪念性建筑物的石材构件和雕刻品的修补、修复和复原保护工作中所采用的技术,具体说,本文所涉及的主要是各种清洗技术,以及加固和保护技术。当然也会涉及一些其他石材处理技术。

众所周知,大理石、花岗石和其他石材主要是用于建筑业的,这是由于他们天生的坚固耐久性,或者是由于他们的长效强度来决定的。但石材如果长期暴露于大气介质当中,会缓慢地发生无法医治的劣化变质:有的只在使用几年后就能看出劣化变质的情况,但绝大多数变质、变化经常是经历几百年的时间才能看出来。

石材的坚固耐久性也是情况不一的,有关专家把这种坚固耐久性分了10个等级。最低级的,是那些低强度的岩石如泥灰岩和猫土,它们的平均耐久性低于一年。而那些在长时间内强度较大的岩石,如纯石英石,和古典红色的斑岩,它们的坚固耐久性会和人类史一样长久。

只要采取一系列规定的措施,石材的病变和劣化变质能被阻止或者至少能被限制住,以及石材可以部分地或全部地被修复。一旦进行了修补或修复,同时如果也能消除产生劣化变质的根本原因,这当然是最理想的,但这又很难做到,因为这关系到石材制品的内在的原因,例如日益增长的潮湿问题,或者是关系着一般的外部因素,例如日益严重的环境污染问题。

首要的原则是,在进行一种修补或修复工作时,应当尽量保持住制品的原状特征,特别是形状和外观,以便尊重原制作者的原始创意。

正确的修补或修复作业一般包括如下多种工序(有的工序不一定需要)

诊断:深入研究石材制品的特征、它的历史、所构成的材料、它病变和变质(劣化)形式及其病变和劣化变质根源。

预加固:这是进行正式清洗作业之前的作业。只有对保护条件很不好的石材才有这道作业,这样做可以改进石材的物理性能,以避免在进行清洗时石材制品发生块状崩落和开裂。

清洗:这一作业可以除去石材制品上的浮层和病变物质,这一工序可采取化学、物理或机械方式进行。

加固:用专用化学产品进行这一作业,专用化学产品渗进深处后,一直达到石材的洁净部分,使石材形成整体,以此改进石材的物理机械性能,特别是粘聚性能。

表面保护:这是最终作业,多数是采用化学物质进行这一作业,以此限制水、大气介质和污染介质对石材制品表面的腐蚀作用。当石材的保护条件良好时,这一作业可以替代加固作业。

日常维护保养:定期检查石材制品的保护情况,也就是检查病变现象有无不可逆转的病理形式。除了要进行小型的清洗作业,以避免以后可能需要进行的成本很高的保护性清洗作业外,还要对石材制品的进行定期或是不定期的保养,这主要是为了限制或是制止劣化变质根源(例如极易看出的透水现象)。在维护保养作业中,也要检测已经进行的保护作业的时效,并有可能重复再做这些保护性作业。

重造工作:在特殊情况下,当因为在短时间内就断开从而石材制品没了基础部分,或者本来就没有基础部分时,就要做重造工作:作为第一种情况,就要用黏结剂重黏结上基础部分;作为第二种情况,基础部分就要用新材料再加工制作或者铸造,然后再粘接上。后一种作业很少用,并要非常小心谨慎进行研究,特别是从美学观点上,因为这种作业的结果可能常常是负面大于正面。

一、清洗的目的和规则

为了以正确的方式处理石材,首先就要弄清石材表面的铜绿和石材表面沉积物的区别。铜绿使石材有一种特性外观,这是石材制品长时间暴露在大气介质中形成的,我们将其定义为石材制品自然老化,这是石材制品表面发生缓慢转化的结果。和与环境污染相关的病理现象(环境污染造成的是劣化变质)不同,这种表面的转化是很缓慢的,它不会从根本上降低石材物理机械性能,仅是有属于自然物质的表面色彩上的变化。在进行清洗时是需要将铜绿保留住的。

而所谓表面沉积物,与尘土、脏物沉积无关,只是与天然原生材料沉积相关联或是与污染源相关联的。这种表面沉积物,就是含有新形成物质的变质黑色硬壳,这主要是可溶性盐,是由于构成岩石的材料相互作用,或是由于从大气中沉淀,或是由于制品从其他地方搬来而形成的,这些变质硬壳构成了岩石表面保护作业的不稳定因素,应当清除掉这些不稳定因素以避免石材的进一步损坏。黑色硬壳的构成成分是石膏和主要是燃烧过程形成的碳类颗粒。

硅质岩石,如岩浆岩,很少有薄薄的一层铜绿而影响清洗作业,清除起这类岩石的表面沉积物非常容易:如果硬壳是最近形成的,实际上只要认真清洗就可以了。而这层硬壳如果附着很紧,坚固如一层水泥,那就用机械方式或者用干式喷砂方法清除。

而在碳酸质岩石中,如大理石和石灰石中,这层壳是由于在污染地区,在一定湿度下,氧化硫与岩石的碳酸钙发生相互作用形成石膏而造成的。这一转化在污染环境中可以长期不断地进行下去,从而会使这层壳不断加厚。

这些石膏类硬壳虽然有一定的孔隙率,但由于掺和进外来颗粒,如烟黑的、黏土的、沙子的和沥青的颗粒,其发展趋势还是随着时间一尽管速度越来越慢一而加厚。这些前提清楚地表明,这些石膏,无论是和石材相互作用形成、还是由于从其他地区迁徙而来而形成的、还是由于在大气中预形成的石青沉积而成,由于在湿度起伏不定中石膏形成的不稳定性,就给保护好石材表面带来了风险性。这里所说的湿度的起伏不定,使得溶化和结晶过程交替发生,而这些交替过程,随着石材弱化渐进,会引起每一周期的机械应力和石材不断地加速变质劣化,而直至形成石*。最后,由于碳粒子与高浓度二氧化硫并存,且经常处于浸湿状态,这就促使碳酸钙不断地变成石膏。而在任何情况下,在露天放置的石材制品表面覆盖的黑色变质硬壳都不能形成保护性表面。

清洗的主要目的,就是清除上述表面沉积物,和通过石材的毛细管渗人石材内部的病变材料。这样做是为了改进石材制品的保护状况以及为了重现石材的美学外观。但在清洗的时候,一定要加一道石材保护作业,因为清洗总会增加石材表面的凸凹不平,这些凸凹不平很容易沾上大气介质。如果是在高度变质劣化的石材表面上进行清洗,要特别当心这一点。

长期以来,很多历史学家、建筑家和自然资源保护者,都反对清洗,因为会把铜绿和黑色硬壳弄混,为此他们肯定,清洗会将铜绿清除掉,因此清洗就无法让人接受。总的来讲,清洗所带来的美学外观效果与我们通常习惯看到的那种效果是很不一样的,为此,清洗作业常常受到批评,都认为,既然过分清除脏物,就会使得石材制品如新,也就没有了自然是长期暴露于大气中而形成的发黑的颜色了。

有一些人还提出这样的理论,由于脏物代表着表面的一种转化,任何清洗作业都会除掉发生转化的原状石材部分,所以脏物应当予以保留。他们的要求只是应当把脏物固定在表面上,从化学转化的观点上使脏物惰性化。而这样做是不可能的,实际上十分需要从表面上清除任何现在和将来对石材产生危险的物质。

清洗作业的一个基本条件是应当预先获得如下有关石材的信息:

从化学一矿物学一岩相学上了解石材的种类,以及石材的物理机械性能;

除了了解需清除物质的部位和分层状况,加工类型和附加分层类型(着色性和多色性,等)外,还要了解质量和数量;

特别要根据制品上各种各样的病变形式来深入研究变质劣化的原因。

进行清洗作业要注意保持住:

制品的物理完整性,也就是清洗作业只能在基本密实的表面上,或是在预先进行了加固的表面上进行;

名贵的铜绿;

可能已经作了的表面整修,如作为初始加工的彩饰或是抹浆,而如果表面是长时间形成的,已经具有了历史的或是文化方面的意义,或是对制品已经具有了保护功能,也需予以保留;

材料的化学一矿物学特性。

清洗作业所使用的清洗用品和方法,必须符合如下要求:

不会和原生材料以及需保留的材料发生反应性反应;

对制品不会造成机械性损坏(如腐蚀、开裂、开胶、裂口等等);

应当有这样的性能,即不会在制品表面或是内部遗留下可能会给保护带来损害的永久性的残留物,也就是那些随着时间会发生美学外观病变,同时会降低石材物理一机械效能的反应性副产品;

最大限度地控制好清洗速度,以便在需要时能随时停止清洗作业;

尽一切可能使被清洗的表面光滑而不粗糙,以便使材料少粘上大气介质;

避免形成对材料非常危险的细微裂纹,因为这些细微裂纹会使水和酸性溶液渗进去。

要根据石材制品和它的保护情况来选择清洗方法;可以在现场和试验室分析之后,即在直接试验以评估石材的保护情况和评估处理效果,以及准备使用的产品之后,再选择清洗方法。

二、清洗方法

根据清洗工作的原理,清洗方法可分为下面几类:

机械清洗法和物理一机械清洗法;

使用非反应性溶剂的化学一物理清洗法;

使用反应性溶剂的化学清洗法。

下面就简单地介绍一下目前使用的主要清洗方法。

(一)机械清洗法和物理一机械清洗法

这类清洗方法的作业方式是清除石材表面上的还没沉积很深物质,如那些由于有孔隙而在石材内形成的物质。在石材的清洗工作中,经常使用这类方法做初始清洗作业,以便降低沉积物和结壳的厚度。这类清洗方法特别适合很密实的或是做了预加固的表面,以及由于过去的作业使用的是化学一物理清洗法而无效,从而造成了憎水的表面。

这类清洗法包括了如下方法:

1.干喷砂机械清洗法

这种方法就是用适当的喷砂机具以高压将沙子喷射石材制品,以清除掉最表面的部分,也就是说那些灰尘沉积和硬壳。这种方法过去用得很多,但缺点是难以控制,风险性在于除了会除掉硬壳和沉积物外,还会除掉一部分好的石材,结果也损坏了石材制品。此外,特别危险的是操作人员如果不特别加以保护,就会吸进粉尘和颗粒。

和湿法喷砂相比,干法喷砂法能让人立即观察到所达到的效果,不会形成损坏性污斑,并且这种作业法不受季节的限制。因此对历史和纪念性建筑物的石材保护,建议采用这种清洗法。

2.喷气微砂清洗法(使用喷气磨削工具的机械清洗法)

这一清洗法和干喷砂清洗法类似,但是由于喷嘴小,并且磨削粉喷出压力和系统的操作比较容易控制,所以操作人员很容易使用。由于能使用颗粒度微小和硬度低的磨削粉(但是要用氧化铝粉替代石英粉),这一方法带来的清洗损坏很小,而当颗粒度非常均匀的时候,清洗效果会更好。由于一些喷气磨削机具可分别调节砂流量和气体流量,就可以分别不同情况采用不同的清洗能力。正因为这点,才建议对历史和纪念性石材雕刻和石材建筑采用这一清洗方法。

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