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守护敦煌--高模数硅酸钾PS作为固沙剂的应用

发表时间: 2020-08-27 14:48:57

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固沙胶结剂不但要达到应有强度,还必须满足良好的渗水、吸水性要求。经过反复比较实验,科学家们终于选定了高模数硅酸钾,即PS,为最理想的固沙剂。经它处理过的岩块完全保持了原有渗透性和吸水率,抗压强度大大增加。在每秒20米的风洞实验中,吹蚀模数几乎为零。切不可低估高模数硅酸钾​PS之于敦煌的巨大意义。这种廉价、简便、无毒、无害的无机胶结剂为治沙的人们增添了一件至关重要的法宝。自此,物理手段,生物手段,化

敦煌的美在世界上是独一无二的。当苍茫浩翰的沙漠突然中裂,高低错落的几百个洞窟在陡直的岩壁上蜂窝般排开,每个洞窟中都绘满了精美绝伦、价值连城的千年古画,这种奇迹确实是惊心动魄的。一百年间,来自五洲的各色人等在这里频繁出没,中国学界更对这里蒙受的屈辱刻骨铭心。而人类的知识体系中,却有了一门博大宏富的国际显学--敦煌学。1987年,联合国教科文组织郑重把敦煌莫高窟列入世界遗产名录。这座"沙漠上的美术馆"不再只是中国的国宝,它已经成为全人类共同拥有的珍贵财富。

 

  敦煌曾经是丝绸之路的噤喉和要冲。透过历史的烟云,这里有过多少西风古道,胡笳羌笛,金戈铁马,商队驼铃。举世闻名的莫高窟是公元366年前秦时期开始兴建的。一千四百年间,经过无数能工巧匠、善男信女的历代踵修,终于建成了庞大的佛教禅林和文化圣地。这些洞窟开凿的原意,只是为参禅修炼提供一个静穆的场所。大概谁也不曾料到会给后人留下一座如此辽阔而恢宏的艺术宫殿。在492个洞窟里总面积45000平方米的巨大画卷中,无数历史的碎片连缀出了全息的历史图景。这里透露着早期希腊文化、印度文化、伊斯兰文化和中国文化融合的端倪和脉络,这里留下了那些没有印刷术和摄影机的年代里,社会生活各个层面的清晰投影和真实细节。无论是先民们男耕女织、渔猎桑麻、铸造冶炼,还是饮宴歌舞、衣食住行、市井百态,乃至征战杀伐、驻节出使、扬帆航海,墙上都有着惟妙惟肖的传真和写照。我们同历史的距离从没有象走进敦煌石窟后那样近。在这座时间的密封仓里,除了画家们看到中国美术千年嬗变的渊源和走向,历史学家,考古学家,民俗学家,社会学家,建筑学家,科学史专家,音乐史专家,几乎所有领域的人们,都能寻到自己的珍宝,找到独特的体悟和惊喜。洞中气象万千的生命姿态,为我们解读历史提供了最确凿的答案和证据。从这个意义上来说,敦煌百科全书般的文化价值和历史重量是无法估计的。

 

  尽管岁月流逝,朝代更迭,社会动荡,天灾频仍,敦煌却毕竟维持了一千多年的景气与繁盛。后来,随着海上航线迅速延伸,丝绸古道逐渐湮废,敦煌也变得日趋萧条荒寂,文史零落了。到了十六世纪初叶,明朝嘉靖皇帝为抵御异族入侵,轰然紧闭了嘉峪关大门,将敦煌彻底遗弃在管辖之外,一任星霜剥蚀和风沙沉埋。直到时序进入近代,英、法、俄、日的冒险家先后从敦煌藏经洞劫走大批典籍,接着美国人又盗取了大量壁画,敦煌这才重新声名大噪,并且变得更加疮痍满目。此时的莫高窟处处可见流沙堆积,洞穴坍塌,壁画破损,彩塑倾倒。当二十世纪四十年代的国立敦煌研究所接过莫高窟的时候,应该说同时接到了它的病危通知。忘不了中国第一代可敬的敦煌学者们,他们为保护这些劫后余生的文化瑰宝,付出了无限的智慧和艰辛。

 

  对于一位大病临身的患者,只能靠高超的医术挽救他的健康和生命。敦煌石窟的保护需要的是知识和科学。于是,在敦煌学的体系中,产生了文物保护这个重要分支。一批科学工作者怀才抱志,开始了毕生的探索和追寻。因为过去失去的太多,没有失去的这部分就更加珍贵。今天如果再次失去,那将是人类和世界最后地、永远地失去了。

 

  保护敦煌石窟,必须先从掌握周围自然环境入手。谁都很难想象,一千六百年前,先民们在敦煌选址开窟时,这里曾经是一片草木扶疏的塞外绿洲。随着千百年荒漠化的不断加剧,4500平方公里的罗布泊渐渐沦为完全干涸的"死亡之海",名噪文史的阳关、玉门关、汉长城只剩下残败的遗址遗迹。敦煌也陷入了沙漠的包围之中。科学家们所做的第一项工作,便是大尺度气象观测。这里常年受蒙古高压控制,是典型的内陆气候。温度,湿度,降水,蒸发,风向,风速,日照,沙尘,用最先进的仪器将百万组数据化作清晰的曲线,敦煌一年四季的气候变化尽在掌握之中了。

 

  风沙之害应该是敦煌保护中最持久而沉重的话题。当卷地而来的黄沙顺着崖壁瀑布般泻下时,这里的底层洞窟曾几乎大半被埋。积沙还能造成窟顶巨大压力和岩体积水。至于卷入窟内的沙砾,则象一张硕大的砂纸,无时不在对脆弱的壁画慢慢打磨。单靠人工清沙毕竟太消极被动了。然而,敦煌处在大漠的腹地。要打赢这场人沙之战,又需要有怎样的非常之功!

 

  当万里长风吹过翰海,沙的起伏留下了风的形状。每秒5米以下的风速是不会携带沙粒的。而每秒5至8米的风却会激起沙海的涟漪。只有每秒8米以上的风速,才对沙物质有运载能力。经过数年监测和计算,人们终于掌握了风的来踪去迹,绘出了风沙流向的分布图。值得庆幸的是,在莫高窟的八面来风中,只有概率占5.6%的西南风达到每秒8米以上的等级。但它的输沙能力却达到71.1%。每年送上门来的积沙3000立方米。而沙的主要来源,是位于石窟西侧1000多米的鸣沙山。

 

  在风沙主力的必经之路上,敦煌研究院建起了一道特殊的防线。鸣沙山脚下这排由5种沙生植物组成的防护带,是绿色生命挺身守护敦煌的一曲凯歌。它们靠着先进的滴灌技术顽强扎根在沙山东移的通道上,地面粗糙度数百倍地增加使得风速急剧锐减。实验表明,戈壁滩上一棵柽柳便会如同一位孤胆战士,一年能拦截流沙2500立方米。这是多么惊人的效益和回报。植树种草既能阻沙,又能固沙。人工植被尽快向大面积天然植被过度,也许是根治沙害的终极途径。

 

  在植物防护带的后面,敦煌研究院与美国盖蒂文物保护所联手合作,设置了一张A字型尼龙网。顶尖直指鸣沙山。当运载着沙尘的疾风在网前网后失掉20%的速度时,所携带的沙粒便纷纷坠落,终止了它们危险的旅行。这道延伸数千米的地网既能在主害风向上阻沙,又能在次害风向上导沙。根据测量,每年能挡住窟区积沙的75%,这应该是一个鼓舞人心的成功。

 

  大自然的因果关系常常是奥妙而复杂的。当含沙量几乎饱和的"浑浊之风"在防护网前后卸下沙尘变成清风,在吹过崖区时便显出更强的风蚀作用。莫高窟岩体在地质学上属第四纪沙泥质、钙质半胶结砾岩,结构十分松散。风洞实验表明,鹅蛋大的岩石样块在每秒20米的风速下,3分钟便被吹掉一大半。这便是崖顶在劲风中越来越薄的原因。如不加强治理,上层洞窟终将变成露天。在这里,如何板结表面复沙和加固风蚀崖顶,便成了突出问题。

 

  不妨设想用水泥把崖顶牢牢封住,将会是什么结果。显然,只要稍有雨水便会无法渗透,而四面汇集后流入窟区,造成种种麻烦。平时,崖体内水分不能蒸发,也势必危害洞中壁画。因此,固沙胶结剂不但要达到应有强度,还必须满足良好的渗水、吸水性要求。经过反复比较实验,科学家们终于选定了高模数硅酸钾,即PS,为最理想的固沙剂。经它处理过的岩块完全保持了原有渗透性和吸水率,抗压强度大大增加。在每秒20米的风洞实验中,吹蚀模数几乎为零。切不可低估高模数硅酸钾PS之于敦煌的巨大意义。这种廉价、简便、无毒、无害的无机胶结剂为治沙的人们增添了一件至关重要的法宝。自此,物理手段,生物手段,化学手段,已开始形成综合的治沙体系。

  从远处看去,莫高窟750多个大小洞窟,分布在1700米长的山崖上,俨然一座庞大而壮观的整体建筑。然而,这个建筑却是根本不可能有总体规划设计的。一千多年间,每一位后来者都是根据自已的灵感,在山崖上看中一块空白处随意开凿,没有谁去作过结构力学的论证和计算。加上后几百年的荒废失修,诸多洞窟出现了严重开裂和大面积坍塌。敦煌守护者们的又一项繁难使命,便是加固和整修这些摇摇欲坠的"危房"。用各类PS系列的浆料对大小裂隙进行灌注,用数十米的锚索将崩裂的岩石重新钉在崖体上。同时要保持天然的地形地貌。这是世上绝无仅有的高精度、高工艺的"补地"工程。

 

  真正最见工夫的细活,莫过于对窟内壁画病害的防治和修复了。如果把敦煌492个洞窟45000平方米的壁画按2米高度首尾连接,将会绵延22.5公里之长。这是世界上最灿烂辉煌的艺术长廊。人们精心保护的洞窟和崖体,都不过是壁画的支撑和依托。如果壁画本身失去了光彩,敦煌石窟中的一切都将失去灵魂。

 

  看到这些笔歌墨舞、旷世珍稀的佳作变成如此模样,怎能不让人心疼不己又心急如焚!龟裂,起甲,褪色,酥碱,空鼓,粉化,霉变,脱落……各种致命的症状写满了诊断书。翻开这些病历记载,病害洞窟达251个,病害壁画4250平方米。但病根在哪里?如何才能做到标本兼治。

 

  我们必须首先了解这些壁画当年是如何做上去的。在开凿出来的粗糙岩石上,先涂一层或两层用碎麦秸、细麻刀合好的泥,再抹上一层薄如蛋壳的白石灰加以打磨。然后便能在光洁的墙壁上纵情挥毫了。这层草泥和石灰称为地仗层,是壁画的直接载体。

 

  面对也许茫无头绪的多种病害,我们不妨换一个思考角度。为什么这些1600年前的作品,没有和同时代的其他东西一起消失,而相当完好地保存到了今天?答案应该是,干燥。极端干燥的沙漠气候是壁画的最好保存者。反过来,寻找这些壁画的病理学原因,便应该紧紧追踪水的活动。

 

  不用常人眼睛而用科学手段,就会发现即使在沙漠岩层中,也有一个微小而复杂的水系。敦煌独特的硬水,顺着细小的缝隙无孔不入地渗透,再把岩层中的可溶性成分溶解后四处搬运。当岩层和地仗层之间甚至地仗层内进入了水,反复发生着盐的溶解,结晶,聚积时,就会破坏壁画的结构。这便是诸多症状共同的发病机理。

 

  正确的防治办法,自然应该从改善水文环境入手。要在看不见的墙壁中,摸清水的蛛丝马迹,然后对症下药。裂缝灌浆,惟幕灌浆,做防水墙,挖防水沟,窟顶修防渗层,窟内通风吸湿。只有治水的成功,才能使洞窟脱离险境。

 

  一系列修复工作不仅是最精细的手术,也是最高超的艺术。聚醋酸乙烯和聚乙烯醇是经过无数次筛选的理想修补材料。清除灰尘,注射乳胶,排除空气,滚压表面,一个手误眼错便会带来不可挽回的后果。损失一寸画面,就意味着这片文化圣地又丢掉一寸版图。这是最默默无闻却功德无量的艰苦劳动。多年来,共有三千多平方米濒危壁画和百余身彩塑在这里起死回生。

 

  对于岌岌可危的大面积空鼓和脱落,仅靠粘合已经于事无补了,必须有"刮骨疗毒"的气概和"壮士断腕"的决心。当然,透过画面向岩石钻孔一定要慎之又慎。支护,回贴,灌浆,用锚杆和有机玻璃做十字固定,和无创伤修复相比,这类办法只能是不得己而用之,但却在危机关头抢救了不少艺术珍品。

 

  辉煌,绚丽,缤纷,斑斓,这是敦煌壁画天下独美的一大特点。而如何防止颜色的退变和老化,则是又一门很深的独立学问。这里是一个最完整的中国历代颜料标本馆。古人使用的颜料除藤黄和胭脂外,几乎全是无机矿物颜料,首先必须对它们的品种、数量、成分进行准确地摸底和普查。于是,在科学家眼中,墙上的壁画便不再只是生动的人文景象,而成了具有不同分子式的化合物涂层。当然,颜料还不是画面的全部。其中的胶结材料作为至关重要的粘合剂和固定剂,其化学构成同样必须查个一清二楚。幸亏现代科学提供了十八般武器,偏光显微法,发射光谱法,电子探针法,X射线荧光光谱法,紫外红外光谱法,质谱法,X线衍射分析法,高效液相色谱法,祖先们千百年间使用的绘画配方至此全被一览无余了。

 

  而色彩退变的机理除了胶结剂老化引起颜料脱落外,还有一系列复杂的光化学反应。我们无法再用千年时间来观察变化的进程,但科学却能够设计出可靠的变色模拟实验。包括在不同取值的恒湿箱中模拟太阳光、紫外光和红外光的照射;在二氧化碳,硫化氢,臭氧等有害气体环境中置放。研究是在分子的层次上进行的。这里自然少不了扫描电镜SEM分析,傅里叶红外光谱分析等手段。于是,朱砂变黑,铅丹老化,石黄退色等现象,便可以用硫化汞转变了晶格,四氧化三铅变成了二氧化铅,硫化砷变成了氧化砷来更本质地加以表述了。

 

  不少壁画上,还明显留下了历代香客僧人以洞窟为家时烟熏火燎的印记。1917年沙皇帝国崩溃,一批亡命的俄国军官流窜到敦煌,当地官府竟将他们关押在石窟中。他们除了在壁画上涂抹各种下流图画文字外,还每天在洞中支锅做饭,生火取暖,不少绝代佳作被熏成一团漆黑。

 

  这些壁画还有出头之日吗?显然不能拿一块抹布一抹了之。深思熟虑的学者们第一步先精确分析了烟熏层的化学成分。原来它的组成除了大量的碳,还有各类芳香族化合物和硫化物。必须找到一种既能够对它们溶解和反应,又对壁画和地仗层没有副作用的"特效药"。目前,万无一失的方案正在探索和比较中。壁画上这些涂炭的生灵终将重见天日和再放光彩!

  

 人们还在敦煌石窟发现这样一个秘密。有些壁画下面还覆盖着另一层壁画。有些洞窟中,壁画叠压达三层之多。原来唐代以降,敦煌的后来者便不再十分尊重和欣赏前人的创造。随着鹊巢鸠占之风盛行,许多洞窟中新画代替了旧作。尚有顾惜之心者,便顺墙砌一道土坯,另起炉灶,再绘丹青。粗暴些的则在原壁画上抹一层草泥,然后刷白重新作画。最潦草的是直接在原作上盖一层白粉后便取而代之。对下面这些被废除和勾销的作品,我们该怀着怎样的牵挂和好奇,盼望着能够一睹芳容!办法迟早会有的,步骤总是先易后难。人们已经能靠模板托护,用最稳妥的整体揭取迁移技术,把有土坯隔开的两层壁画完好分离。鱼和熊掌兼而得之,这些囚禁千年的敦煌秘版重获新生,其价值不亚于发现了新的洞窟。

 

  每天清晨第一缕阳光照进几座洞窟深处时,另外的洞窟却可能继续沉睡不醒,甚至终日处于黑暗之中。1600年间,不同朝代开掘的700多个洞窟大的如同礼堂,小的一米见方,高低、深浅和形制更是彼此迥异。洞中小环境自然也会千差万别了。外界大环境归根结底通过窟内小环境起作用。壁画和彩塑的每种病害,几乎都和窟内小环境有直接关系。因此,观测和控制窟内小气候,便成了科学工作者们又一项艰巨繁难的常规性工作。

 

  在每个洞窟的不同位置精心布下各种探头,让这些灵敏的传感器在不同梯度上捕捉日照的强弱,温度的升降,湿度的波动,气流在洞内行曲走折的循环路线。全天候跟踪监测的数据对壁画安全有着至关重要的作用。温、湿度变化振幅过大,会加剧岩壁表层周期性收缩膨胀;壁画的颜色本来靠光的照射来显现,但光却又会夺去它昔日的鲜艳。更何况这些洞窟不是与世隔绝的。它们轮番接待着一批批参观者。由此带来的小气候变化就更为复杂了。这里也需要用数据来说话。当40人进入一个中型洞窟,停留37分钟,监测结果表明每人每小时呼出水21克,二氧化碳4.7升,窟内气温平均上升4.5度。此后,温度、湿度、二氧化碳浓度的半衰期分别为0.25小时,1小时和3小时。高温、潮湿和酸性气体对文物的损害是众所周知的。如何控制观众流量,并保持良好的空气交换条件,已成了越来越需要认真面对的问题。

 

  怎样才能将灿烂的敦煌文化永久保存下来,这是每一代敦煌学者苦苦探求的课题。当数字化浪潮涌进二十世纪末期的一切领域时,保护敦煌的人们捷足先登,开始了大规模计算机存储与再现系统的研究。将近景摄影测量技术获得的高精度立体照片进行几何纠正和色彩还原,经过数字扫描建立起庞大的数据库,于是,汗牛充栋的图片文字便全部溶化在二进制数码的海洋中;墙上和洞中的千般姿态,万种风情也都能在瞬息之间化作一串串神奇的"比特",供人们长程传播,无损复制和随意检索查询。最近与美国梅隆基金会的合作将把数字技术提高到全新水平。观众将在虚拟的洞窟中,从任何距离和角度,鉴赏到高清晰、高保真的三维图景。这应该是敦煌信息存储技术史上真正意义的革命。

 

  但一想到几百座石窟的无限风光将被压缩进几块小小的芯片,慰籍与惊叹之余,不由涌起难以言喻的复杂感情。任何先进完美的存在形式,都永远代替不了我们深深爱着的敦煌。最可宝贵的,永远还是这里墙上真真实实的每一层泥土和每一寸笔墨。尽管我们知道,万事万物都是时间的函数。在不可抗拒的自然法则面前,也许没有任何东西可以永恒。但我们却能够用百倍的智慧和努力,尽量让敦煌美丽的生命青春常驻,益寿延年。

 

  为了守护墙上的这些人类记忆和文明遗踪,几代优秀的中国人在这片沙漠中耗尽了毕生的心智和才华。今天,我们的眼睛是幸福的,一个生机勃勃的敦煌正在我们怀抱之中。而我们对敦煌的一切珍惜和善待,都是为了让遥远的子孙仍然能继续拥有这种幸福。我们将尽到这一代人不能回避的历史责任!


守护敦煌--高模数硅酸钾PS作为固沙剂的应用
固沙胶结剂不但要达到应有强度,还必须满足良好的渗水、吸水性要求。经过反复比较实验,科学家们终于选定了高模数硅酸钾,即PS,为最理想的固沙剂。经它处理过的岩块完全保持了原有渗透性和吸水率,抗压强度大大增加。在每秒20米的风洞实验中,吹蚀模数几乎为零。切不可低估高模数硅酸钾​PS之于敦煌的巨大意义。这种廉价、简便、无毒、无害的无机胶结剂为治沙的人们增添了一件至关重要的法宝。自此,物理手段,生物手段,化
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