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北京近三年投入33亿资金用以文物修缮保护，辽金城垣博物馆的金中都水关遗址木构件保护工程就是33亿工程中的一项，这项工程不同于一般的古建筑修缮，而是一项古遗址的化学保护，还有一个特点是所有的木桩都处于半地下状态，这样又给这项工程提出了新的课题。在此之前的两次化学保护工程，都是只处理了木桩的地上部分，没有达到根本的保护。这次工程经2000年11月专家论证，决定将木桩的地下部分一同治理，并要求恢复原状。因此，中国林科院木材研究所和辽金城垣博物馆组成课题组，根据遗址木桩的败坏特征，共同参与制定了实施方案，并于2001年6月开始实施，经过近两年来的保护处理，基本形成一套处理工艺和保护方法，以下为工程的阶段性成果报告。
一、专家论证会的意见
2000年11月，博物馆召开专家论证会，会上专家一致认为，遗址保护迫在眉睫，目前的主要矛盾是对暴露在外的擗石桩、大木枋进行抢救性保护，保护应以少动土、少干预、少添加新物为原则，在进行木构件保护的同时，以不破坏石件、地层关系、地基为原则。按照目前的技术状况和技术水平，此次保护的目的是延长木构件的寿命，确保20-30年不腐朽、不开裂。
对木桩的保护方案专家们提出了具体建议：首先用药前先查清树种，以便对症下药。取木桩时尽量减少破坏，处理一根，保护一根，保证周围不会坍塌。木材脱水后应用有机溶剂树脂和进口环氧树脂进行加固。木材进行防腐处理时，药物搅动会对木桩表面造成损害，最好采用静态处理方法。处理完的木桩最好套上塑料套，减少环境对木桩的破坏，延长木桩的寿命。
二、遗址木桩败坏特征
此次治理方案是针对其木桩败坏特征而确定的。通过1996年木桩系统检查和近一年的木桩开挖检测，木桩败坏特征可归纳为两部分。其一，头部腐朽和干裂；其二，桩身下端木质水解和腐朽。这类木桩通称为病腐木。
1木桩头部(含接地部位)腐朽干裂
200余根木桩立地状况可以单取一根做代表来分析，按部位可以分为头部即露出地面部分，接地部位和桩身下部(埋置土里部分)。正如检查报告所统计的头部腐断和碎裂的占了41%。其原因是头部和接地部位上临空气下着潮湿土地。上干下湿，水分在这部位上下移动，木腐菌霉菌在此栖息繁殖，腐朽由外向内侵入和发展。木质强度大大减弱，干燥节气里这些强度脆弱的木质呈木炭状断裂脱落。
2木桩下段木质水解和腐朽
据水关挖掘资料称，水关遗址至今已有840多年的历史。这些维护堤岸的木桩长期浸泡在河水和污泥之中也同样经历了800多年的时间。检查中发现除表层23cm木质呈褐腐外，内层56cm木质似海绵一样含有大量的水，其含水率均达到200300%。
这类木质看似本色，但材质发软，强度脆弱，可以轻易剥离；干燥时发皱，形成纵向撕裂，木质手捻成末。国外文献称为水泡古木或饱水古木(Waterlogged Archaeological Wood)，典型的例子是瑞典木质战舰“Wasa”号的保存。该船沉入海水之中达330多年，由于长期海水浸泡导致木质水解，其中纤维素分子分解，木质似海绵呈多孔状。
水关的木桩基本上具有这类败坏特征，只是其严重程度有所差别。腐朽、水解和干裂对木桩损坏，给保存带来很大的困难。
三、实施方案要点
针对水关木桩败坏特征和对木材强度和严重影响，防治方案以化学防治为主，还必须兼顾其它保护措施。
1采用强力杀菌剂和真空吸药处理法来抑止木材继续败坏
防腐杀菌剂首先考虑是持久效果，其次是安全使用。防腐液配方以五氯酚(pcp)为主，为了增加防腐效果将浓度提高；处理方法上使用真空压力设备，通过真空促使木材内部形成负压，使防腐剂充分的进入到木材内，杀死其内部木腐菌。比起涂刷、浸泡等常压处理法大大缩短处理时间，同时木材的吸药量和深度大大增加。
2采用PEG(聚乙二醇)加固液防止饱水木木质干燥时凹陷干裂，维持其原状
PEG是一种低分子量聚合物，国外用PEG解决古代饱水木的尺寸稳定性比较成功。它在木材组织内起填充作用，与木质纤维的氢键结合，能稳定木制品的形状。
3木桩头部采用环氧胶粘结
木桩的头部断裂，头部腐朽严重且干裂成碎块，方案提出用环氧胶粘结。环氧胶是古建筑维修工程中指定用胶。胶合力强、寿命长，特别是广泛用于金属、木材等多种材料的粘结。
4木桩的挖取和归位
木桩要从土里挖取，进行一系列防腐加固处理后，又归位在原来的坑内。挖取和归位是关系木桩保持现状的重要步骤。方案中明确提出开挖前应逐一照相，测量位置和露出地面高度，开挖前要加强石壁加衬防护和“间隔”式操作，其目的是使木桩归位尽量保持原来位置和状态。
四、防腐加固药剂配方
1WPA—1木材防腐处理剂
1)性能和特点
该处理液为高浓度五氯酚(PCP)乙醇溶液，对于水份高的木桩部位由于乙醇与木桩内水形成共沸溶液，防腐剂能随之进入木质内；由于共沸溶液沸点低，挥发快，加速了木桩的自然凉干。防腐处理液含有磷酸脂类助溶剂，能使PCP溶解固着在木材内部。防止PCP在木材表面析出，保持木桩的持久防腐杀菌能力。
2)主要成份和功能
WPA-1处理液
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序号 |
成份 |
功能 |
|
1 |
五氯酚(PCP) |
杀菌 |
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2 |
磷酸酯 |
助溶螯合 |
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3 |
乙醇(C2H5OH) |
溶剂 |
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4 |
水 |
和乙醇构成载体 |
2OPN-1防腐液
1)性能和特点
该混合配方含有杀菌剂、助溶剂和石油类溶剂，用于木桩头部外层防霉、防腐处理，有效成份百菌清(四氯间苯二腈)对于木腐菌有很强的杀灭能力。若与多菌灵配合使用，可提高对霉菌的杀灭能力，增强防治效果。百菌清对人体毒性很低，对动物的经口毒性达到10000mg/kg，属于低毒类药物。处理方法包括涂刷、喷淋等。
2)主要成份和功能
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序号 |
成份 |
功能 |
|
1 |
百菌清 |
杀菌 |
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2 |
多菌灵 |
杀菌 |
|
3 |
苯、酮类溶剂 |
助溶 |
|
4 |
石油馏分 |
溶剂 |
3PEV加固防腐处理液
加固液主成份是PEG(聚乙二醇)，据瑞典木质海船“Wasa”处理报告，为了保持船体和甲板的尺寸稳定性，曾相继使用PEG—600，PEG—1500，PEG—4000等不同分子量来处理这些木构件，取得较好的效果。我们根据国内原料和木桩特点，筛选采用分子量为PEG—2000。PEG—2000常温为石腊状固体，在水中加热可完全溶解。使用浓度30%—50%。由于PEG缺乏防霉防腐效果，处理液掺有一定量的硼砂、硼酸和五氯酚钠(或氟化钠)。
4WPE—1环氧胶配方
1)性能和特点
环氧胶粘结强度大，使用寿命室内可达20年，而且耐油、水和耐酸碱均较好。本环氧胶配方根据地下木桩的特点，提高胶粘剂的韧性和耐热性能，采用E—44环氯树脂为主成份，加上稀释液、固化剂、增韧剂和填料配制而成，用于木桩和大坊的粘结。
2)主要成份和功能BR>WPE-1环氧胶
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序号 |
成份 |
功能 |
|
1 |
E-44环氧树脂 |
胶粘成份 |
|
2 |
①低分子聚酰胺 |
固化兼增韧 |
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②多乙稀多胺 |
固化剂 |
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3 |
锯末或石棉纤维 |
填料 |
该罐容积尺寸为６０cm×2m，罐内备有加热管路、轨道滑车、自行配置真空泵、简易储药罐、缓冲装置等。该设备根据拟订的工作要求，委托首钢专业设计院和压力容器厂加工制造，通过半年来的运转，密封性能良好，较好的满足了处理要求。
2)自动控温箱式加固处理槽
槽体尺寸为06m(宽)×07m(高)×2m(长)，槽内装有电加热管并配有自动控温装置，箱壁内衬采用聚胺脂灌注成型，密封和保温效果良好，该处理槽根据处理要求由我所加工。
3)导链拔取木桩装置
木桩挖取是保护木桩的关键问题之一，实际操作过程中单靠人工开挖，由于有些木桩深埋1—2米，不但土方量大，而且会影响石壁稳定，甚至造成滑坡。采用钢钎打洞或洛阳铲，由于不少木桩埋置在深层的黑色淤泥中，淤泥与木桩结板成一块，很难松动。即便拔起，头部也易遭到损害。经过多次改进，采用葫芦导链和用作支撑的三角支架，较好的解决了木桩的挖取难题。
2防腐和加固防裂处理工艺
1)总的处理工序
木桩从开挖，经防腐和加固处理，最后归位放置原地，历经9个步骤。总的防护处理工序如下：
①头部整理粘补清洗
②挖取挖开埋置土30-50cm采用葫芦吊
③桩身清洗和气干5-7天
④真空吸药处理真空-600mmHg2天
⑤气干7-10天
⑥热冷槽加固处理80℃-常温2-3天
⑦气干(风干)施以吹风7-10天
⑧木桩表层处理退色、防霉和封护3天
⑨归位放置(1天)
整个防护处理工序耗时将达到30-35天，其中要经历三次气干，耗时20-25天。由于木桩的含水率上下悬殊很大而材质碎弱，很难使用人工干燥。缓慢气干达到一定程度是比较适宜的。
2)真空吸药防腐处理工艺
目前实施的处理工艺包括：
前真空 -600mmHg[]1小时 入药 保持真空1小时 恢复常压 罐内药液浸泡4小时后真空24小时出罐。木桩处理前和处理后分别称重来确定防腐处理的吸药量，判断其防腐质量。
木桩处理工艺的每段工序时间长，其中有关部分需作下列说明：
(1)前真空时间很长，目的是对于干燥木段而言，把木材内空气抽出造成负压，促使吸药量增加，加强防腐效果。
(2)罐内药剂浸泡木桩时间长。增加药剂渗透和扩散时间，达到酒精和木桩内水分混合，药液进入木质内部的目的。
(3)后真空长达24小时。在长期的真空状态下排除木桩内残留的防腐液，使木质表面干净，节约防腐液；长时间的真空状态下，还能促使木桩内木桩水分和酒精形成的混合液由内向外迁移，并至表面挥发，达到木桩干燥的目的。
3)热冷加固处理工艺
将已防腐处理的木桩放入处理槽中，逐步升温加热至80℃，保持6小时后，过夜降温至常温(约30℃)。取出称重凉干。该热冷处理工艺达到下列目的。
(1)高温下降低PEG的粘度便于PEG和防腐剂渗入木材内部；
(2)80℃长时间高温加热杀灭木桩内部已长期寄生的木腐菌；
(3)通过高温加热排除木桩内部水分和空气，冷却时木材内部空腔形成负压，促使PEG渗入到木质内部。
六、工程进展
1实验室药剂配制处理工艺和树种鉴定
1)在正规的处理木桩之前，需进行小型试验〖HTSS〗
(1)防腐配方改进和处理工艺试验；
(2)加固配方和处理工艺；
(3)防腐和加固处理串联和相调试验。
通过小试，形成和完善木桩的正规处理工序。
2)树种鉴定
从选取10个木桩小样中，鉴定出树种为华北落叶松和云杉。在遗址内小木桩中现场识别出柏木树种。
2木桩的保护处理
截止今年10月已真空吸收处理木桩近80根，计划在12月底以前完成110根，这些木桩相继移置地下室，通过今冬、明春的干燥季节，观察其加固效果，再进行归位。
七、阶段性成果
1木桩的防腐吸药量能满足恶劣环境要求
木桩防腐吸药量关系到防腐质量的好坏，其单位是kg/m3。为了说明木桩吸药量达到多少，处在哪类木材防腐水平，从而判断其防腐效果。通过50根木桩计算，得到下列结果：
(1)木桩吸药量处在13kg/m3～35kg/m344根占88%
(2)木桩吸药量处在8kg/m3～12kg/m35根占10%
(3)木桩吸药量处在8kg/m3以下1根占2%
上述(1)+(2)项相加吸药量8公斤以上可达到98%。
(4)每根吸药量的平均值为19kg/m3。
据查，美国根据防腐材所处环境恶劣差别划为H1—H5等五个等级。其中H4级的吸药量为8—12kg/m3，可用于露天与土壤接触环境；防腐材可用作枕木、坑木和木桥等，H5级使用在与海水接触的环境，吸药量达到24公斤，其防腐材可用作码头上木桥和木桩等。我们通过初步计算的木桩的吸药量处在美国防腐标准H4和H5级范围，多数处在H5级，而且遗址木桩所处的环境比H4～H5级要“良好”很多。因此，根据遗址木桩的防腐吸收量来判断，可以充足的保证木桩持久的防腐效果。当然，我们也需要看到遗址木桩是病腐木，它的尺寸大小、败坏程度和吸药部位各不相同，必须加以其它的保护措施，如防水防腐浆膏，湿度控制，实行跟踪监控等。
2初步防霉效果
一般来说，北京5月开始进入温暖潮湿季节，持续到9月底。今年的7-8月，北京出现罕见的多湿高温，气温经常是25-32℃，相对湿度常达RH80% —88%。馆内地下遗址温度常在23℃—27℃，RH常处在80%—85%之间。这样长时间的高温多湿，提供了霉菌木腐菌繁殖寄生的气候条件。现将2002年5—9月地下室温湿度列于下表：
表一
2002年5-9月地下室温湿度变化
| 月份 |
5月 |
6月 |
7月 |
8月 |
9月 |
| 温度（T） |
18℃-21℃ |
21℃-23℃ |
23℃-26℃ |
25℃-27℃ |
23℃-27℃ |
| 相对湿度(RH) |
70%-78% |
77%-84% |
85%-90% |
81%-86% |
70%-78% |
放置在遗址经处理的木桩以及处在院内荫棚底下的木桩，历经夏季数月高温多湿气候条件下，均未发现木桩生霉现象，而在同样条件下，遗址支撑石壁的木板和木条均出现大片霉斑和腐朽痕迹。已经初步显现其防霉防腐效果。当然效果还待长时间的检查。
3PEG加固处理吸收量和初步效果
为了了解加固吸收量，现将10根桩身热冷浸注后木桩称重和计算结果，列于下表：
表二
热冷槽浸注处理木桩结果
| 木桩编号 |
1# |
5# |
10# |
11# |
14# |
16# |
18# |
21# |
50# |
61# |
| 木桩重(kg) |
18.5 |
10.5 |
10.5 |
18.5 |
15.6 |
22.0 |
7.9 |
19.9 |
15.6 |
12.9 |
| 吸药量(干盐)(kg) |
4.62 |
3.81 |
4.68 |
3.82 |
3.0 |
3.79 |
2.31 |
2.85 |
4.26 |
1.83 |
| 增重率(%) |
25.0% |
36.3% |
44.5% |
20.6% |
19.2% |
17.2% |
29.2% |
14.3% |
27.3% |
14.2% |
采用热冷槽法浸注PEG可使增重率达到17-44%。平均增重率达到248%。经过6-10月观察检查来看，PEG处理的木桩在湿度60%以下表层增硬，在气候干燥时，PEG处理材未发现开裂、掉块脱落等情况；相反未经处理的在晾干阶段本质往往发生干裂甚至撕裂。个别的表层出现卷曲，很难再进行复原。木桩的尺寸稳定性和防裂效果有待长期跟踪检查。一般来说，北京的干燥季节是每年11月至第二年3-4月。大约半年期间，地下遗址的平均相对湿度在50%以下，甚至可在30%-40%，防腐木往往碎裂也在这时期发生，已处理的病腐木经过这一干燥时期，我们将会对木桩的加固效果作进一步肯定。
4PEG处理木桩吸潮和克服方法
PEG处理后木桩干燥时表面木质增硬，而高温多湿(RH＞70%)表面又会吸湿，看似水淋一般。根据这种情况，我们采取下列措施：(1)只在桩身下部加固处理，因这一部分的饱水木情况较重。(2)待木桩下部充分干燥后，再涂抹增水防腐浆膏后，放入原来的埋藏坑中。(3)在高温多湿节气，地下室降湿控制在相对湿度65%以下。消除了吸湿，同时也会减少霉菌侵入的可能性。
5木桩腐朽严重和采取措施
遗址木桩腐朽有些情况超乎我们的预料，其一，桩身下部原估计可能要好一些，但有些却非常严重，原因是这些地段的木桩土壤相当潮湿，木腐菌在土里滋生，引起木材腐朽。其二，接土部位强度丧失严重，往往一动即碎。针对这些情况，我们采取多种措施：(1)加大防腐药剂浓度；(2)多次粘结，木桩取土前粘结一次，防腐处理以后再补充粘结；(3)木桩捆上夹板，拔取和转移时保持木桩整体性。
通过这些方法和措施，使木桩得到较好的保护。本工程采取的以化学保护为主，兼有气干、机械开挖等综合手段，丰富了遗址木材保护内容，处在国内保护技术先进行列。
参考资料和文献
(1)北京精文文物科技开发公司：“金中都南城水关遗址保护工程竣工报告”，1995年1月。
(2)中国林科院木材工业研究所：“金中都水关木结构现状调研和治理方案”，1996年4月。
(3)金中都水关木结构验收组：“金中都水关木结构腐朽防治效果评价和验收”，1997年11月8日。
(4)张厚培等：“金中都水关遗址木结构腐朽检查和防治方案”，《北京文博》，1998年第3期。
(5)Rowell,RMBarbour,RT
Archaeological wood properties,chemistry and preservationWashington DC,1990 American chemical society 195—216
(6)汤宜庄、刘燕吉：《木材工业实用大全·木材保护卷》，北京，中国林业出版社，2001年，第140—143页。
课题组成员：
辽金城垣博物馆：卢迎红 籍和平
林科院木材所：张厚培、刘秀英、高超英 | 
