浅析古建筑木构件与木质文物的保护方法

　　木质文物一般泛指古代遗存下来的木、竹制品，大至战船、佛像、棺椁、墓葬，小至木牍、竹简及各种工艺品等。事实上，在世界建筑中独一无二的、以木结构为主的我国各式古建筑中，形式丰富、结构奇特的木制构件也被视作木质文物。我国的古建筑历经数千年的发展，具有极高的文物、历史和艺术价值，它不仅是中华民族的宝贵财产，也是世界建筑艺术的珍宝。

　　木结构是我国古建筑中常用的体系，最早可追溯到几千年前，与古埃及、古两河流域、古印度和古爱琴海文化并称为世界上五个最古老的建筑体系。木质文物具有丰富的历史性和艺术性，它们充分反映了我国古代劳动人民的聪明才智，代表着不同的历史发展阶段的特征，为历史研究提供了有力的物证，木牍、竹简则更是直接地为人们提供了可靠的历史文献。因此，研究和保护好现存的木质文物对弘扬民族文化，开展历史研究是非常重要的。

　　而木材作为一种天然生物质材料，本身耐久性差，易受自然因素（物理、化学和生物损害如腐朽菌、虫）的侵蚀，使木材强度降低直至全部损坏。另外社会因素如战乱或人为破坏也会造成文物的损坏。对木质文物进行科学处理，使木材免受损害，可以达到延长文物使用寿命的目的。木质文物的保护在文物界是一个专门的、重要的课题，此外合理地利用这些文物又能获得巨大的社会和经济效益。

　　一、木材的化学成分和天然结构

　　木材是一种天然材料，由高分子物质和低分子物质组成。构成木材细胞壁的主要物质是三种高聚物———主要成分有纤维素、半纤维素和木质素，约占木材重量的97%～99%。次要成分包括盐类、可溶性多糖、苯酚、萜烯、蛋白质和其它化合物。木材的微观构造显示木材是一种多孔质材料，因此具有很多生物质材料的共同特性，如水分变化造成的吸湿解吸现象，以及容易遭受生物性腐蚀和降解破坏，另外材质的差异和树种不同也使木质文物的保护方法千差万别，因此这些木材的基本特性也决定了木质文物保护的独特性和复杂性。

　　二、木质文物保护中的影响因素

　　影响木质文物保护因素有很多，主要分为以下几个类别:生物性损害、物理性损害和化学性损害。

　　1、生物性损害

　　（1）动物性损害。蛀木害虫是指天牛、长蠹、窃蠹、小蠹、粉蠹、象鼻虫和长小蠹等一类能在干燥木材中生长繁殖的甲虫。蛀木甲虫危害木材的主要是它的幼虫，幼虫从卵孵化后蛀入木材，在木材中取食、生长，将木材蛀蚀出各种大小不同的孔道，并排出粉末状或锯末状蛀屑。孔道和蛀屑的形状是鉴别不同害虫的重要依据。蛀木害虫中还包括一类特别的害虫———白蚁。白蚁是热带、亚热带地区主要的木材害虫，由于它的种类多、数量大、蛀蚀隐蔽，常会对古建筑及木质文物造成毁灭性的破坏。在我国长江以南的各省、区，白蚁是应该特别注意的一类害虫。海生蛀木动物有船蛆、海笋及蛀木水虱等，一般都生活在浅海，将浸没在海水中的木材蛀蚀成大小不同的孔洞，严重时木材会在海浪冲击下破损。海中的木质沉船有时也会遭到海生蛀木动物的损害，通常木材的生物损害往往是破坏性的，因此在木质文物的保护当中应该采取必要的防虫和防腐措施。

　　（2）微生物性损害

　　1）真菌。木腐菌是木材最重要的植物性损害，其中主要的一类是真菌，其形状以担子菌（Bosidiomyceten）为主，木腐菌可分为褐腐菌、白腐菌、软腐菌和变色菌等。褐腐菌和白腐菌时木质文物中常见的木腐菌种类，它们和软腐菌都能降解木材，使其材质降低，而变色菌主要使木材材色发生变化。

　　褐腐菌能够分解木材的多糖，使纤维素和半纤维素成分降解，木质素成分相对提高，腐朽木材因而呈现褐色。白腐菌则同时分解多糖和木质素，因腐朽材呈白色而得名。而软腐菌能极大程度降低木材纤维素的强度，它以木材薄壁组织的糖类和淀粉作为营养，并沿横向穿透细胞壁，引起木材的软腐。木材受到变色真菌、细菌等微生物的作用会导致微生物变色。而真菌菌丝的颜色造成了木材材色的变化。

　　2）细菌。细菌对出土的木质文物影响较大，与木腐菌比较，细菌对木材的损害要轻得多，细菌仅将细胞壁侵蚀成孔洞状，细菌和真菌同时危害，加速了木材的降解。细菌生命力顽强，即使真菌无法生存的缺氧环境里依然可以存活。南京博物院曾对明泗阳汉墓埋藏环境中的土样及木样的细菌种类进行了分析和奠定，发现细菌种类主要有丁香假单胞菌、自养水螺菌、肠杆菌属、魔芋食酸菌、过滤弧菌、假单胞菌等。细胞的形态主要有短杆、球形、杆状等。

　　2、物理性损害

　　（1）物理性损害。另外气候、声、光等物理因素也能造成木材的变化，但一般都不是单一物理因素的作用，往往是物理、化学和生物等因素综合作用的结果。小剂量的x、r射线可使木材性质稍有改善。但是，剂量较大时（如100KGy）会使木材表面降解，颜色发暗，强度降低，木质变脆，易碎。

　　（2）含水率。古木质文物中含水率一般保持在较高的水平，含水率越高，木材吸湿解吸的过程就越快。所以在不受保护的极端情况下，木材干燥收缩会导致整个木材破坏，原因是这种木材的细胞及细胞间的结合已经被完全破坏，并且这种细胞级别的破坏是不可逆转的。

　　3、化学性损害

　　各类酸、碱盐溶液、金属和气体等都会对木材有所影响，严重时可造成古建筑与木质文物不可逆转的破坏。碱、酸溶液对木材的影响与树种、酸碱的种类、浓度、pH值、作用时间和温度有关。碱溶液作用使木材初期膨胀，然后使木聚糖分解，长时间作用下，会大大降低木材的机械强度和抵抗生物损害的能力。酸溶液作用初期使木材膨胀，继而木材多糖水解，力学强度降低，长期作用可使木材的结构完全破坏。另外盐类、金属和气体对木质文物的损害也是转换成酸碱作用于木材。

　　三、木质文物保护的物理处理方法

　　1、含水率控制

　　木材中的水分重量占木材绝干重量的比率称之为木材的含水率。它是木材非常重要的一项物理性质，含水率的大小影响着木材的胀缩、密度、电学及热学性质和力学性能，对木材的防腐和加固处理的影响尤为重大。出土木制文物保护的一个首要的任务，就是在保持文物形状的前提下，尽快用性质稳定的物质注入木材中，尽量使木材能够保持较高的含水率。木材含水率在80%～100%或以上时可确保木材不会受木腐菌和害虫的危害，即一种原木有效保存方法湿存。

　　另外木材含水率低于并保持在20%以下时，一般木材也能免于腐朽和虫蛀。所以木建筑修缮现场施工时，应按我国2002年颁布的“古建筑木结构维护与加固技术规范”要求选用含水率在20%以下的木构件[4]，否则会形成“油闷”现象。

　　2、物理防腐

　　由于在某些古木质文物、古木建筑的保护和修缮中，木材防腐剂的使用受到了限制或不容许使用，使用物理方法，也能达到消灭木材害虫的方法。检疫辐射处理利用离子化能照射有害生物，防止有害生物传播扩散或将其杀灭。由于其具有无毒、无害、无污染、不影响文物品质、安全等优点，所以在检疫上具有广泛的应用前景。常用的离子化能有γ-射线、X-射线、微波、红外线、可见光和紫外线等。各种消灭木材害虫的物理方法实用性差异很大，大量的文献及不同实验都证明了γ射线可以有效杀死木材害虫的不同发育阶段的虫体，原理是γ射线害虫使新陈代谢紊乱而死。X射线因木材的过滤作用而不能有效杀死木材害虫，高频和超高频电磁波以及超声波的应用也逐渐广泛起来。

　　为寻求毒性气体薰蒸和毒性液体杀虫的替代方法，近年来有几种非毒性杀虫方法开始得到了应用发展。这些方法是冷冻、加热处理、二氧化碳薰蒸和低氧处理。因木材害虫的幼虫对木材温度的升高是很敏感的，热空气加热也能有效杀灭木材害虫。另外冷冻也可以使害虫不能正常发育。实验证明低氧方法可达到杀虫所需的低氧浓度。应用阳光照射处理可以使所处理的木质文物核心部分达到55℃，保持足够时间即可杀死害虫。但是现在还没有找到控制内部空气温度和湿度过高的方法。至今，此方法仅仅建议用于处理表面无漆料和无金饰的木质文物。

　　3、生物防治法

　　生物防治法是非物理方法指用生物或生物技术消灭有害生物的方法，如以虫治虫，以生物治虫等。生物防治不使用有毒物质，可以避免对环境的污染，但文明保护上的应用并不多。目前已证明二氯苯醚菊酯、三氯杀虫酯、杀灭菊酯、氯菊酯和氟氰菊酯等对防治白蚁有效，杀灭菊酯和二氯苯醚菊酯对防治木材蠹虫有一定的效果。

　　四、木质文物保护的化学处理方法

　　1、化学防腐

　　防腐剂是指那些能保护木材，免受菌、虫等生物损害的化学药剂，一般都包含杀菌或杀虫成分。防腐剂分无机和有机2大类，无机药剂主要是一些水溶性的盐类。常见的有CCA、CCB、CCF、FCAP、BBF、BBP和ACQ。有机药剂又可分为油类和油溶性（有机溶剂型）药剂两类，常见的有煤焦油、五氯酚、环烷酸酮、8-羟基喹啉酮、三丁基氧化锡（TBTO）和唑类化合物。现在多采用几种不同成分配合的复合型药剂，以改善性能，提高药效，如TBTO与煤焦油1∶1混合使用或加入五氯酚能大大强化其毒效。硼的汽相处理是从传统木材防腐处理技术基础上发展起来的一种全新的处理方法，它不依靠溶剂，而是使防腐剂的有效成分以汽相直接进入木材。该方法使木材处于硼的蒸汽中（使用三甲基硼），含硼气休进入木材后与木材中的水分结合生成硼酸，作为木材防腐剂沉积在木材中。

　　吸药量和透入度直接反映木质文物防腐处理质量的好坏，木材的渗透性及含水率与木材防腐处理效果密切相关。树种不同，木材的天然渗透性有着极大的差别，木材的渗透性大小直接影响着木材对药剂的吸收。防腐处理应保证吸药量高于处理后木材内基本保留的有效剂量要求。透入度的检测是实现防腐处理质量控制的一个重要手段，防腐剂透入度一般用化学显色法测定。一些试剂能与防腐剂中的某些元素发生显色反应，该颜色即可表示为防腐剂的颜色。

　　2、熏蒸剂处理

　　熏蒸剂是一类低沸点的药剂，熏蒸法是利用一定浓度的有毒气体在密封的环境下杀死害虫的方法，由于木材的特殊致密环境，并且熏蒸木材中的害虫和木腐菌没有预防作用，因此，一般熏蒸以后还应该辅以防虫、防腐药剂的处理。

　　熏蒸处理是目前普遍使用的化学处理方法。有关专家经过试验比较后认为，能在文物上采用的杀虫杀菌熏蒸剂仅溴甲烷、硫酰氟和环氧乙烷，因为它们对文物本身的破坏最小。常见的木质文物熏蒸处理化学药剂有溴甲烷（CH3Br）、硫酰氟（SO2F2）、环氧乙烷（（CH2）2O）等，熏蒸处理时要求熏蒸剂在一定温度和压力下，保持足够高的气体浓度，通常用浓度和时间的乘积（CT值）来衡量。为了更好地提高熏蒸效果，国内外主要从两方面改善:一方面加入熏蒸剂的增效剂，可减少熏蒸剂的用量;另一方面，改善熏蒸条件，保证熏蒸场所的密闭性并不断探索新的熏蒸方式，如减压熏蒸、真空熏蒸、环流熏蒸和混合气体熏蒸等。近年来熏蒸剂也成功地用于文物古建筑的杀虫和超大型木质文物的保护，如北京颐和园排云殿及承德普宁寺金漆木质大佛的熏蒸，都取得了良好的效果。

　　(1)溴甲烷处理（Fumigationwithmethylbromide）

　　溴甲烷能使疏基类（-SH）化合物烷基化，对细胞中的正常生化反应造成了严重的破坏。利用溴甲烷熏蒸，不仅能杀灭各种各样的害虫、螨虫、软体动物和线虫，甚至对某些真菌，细菌和病毒也有一定的杀灭作用。

　　(2)硫酰氟处理（Sulfurylfluoride）

　　硫酰氟也是国际熏蒸处理中常用的药剂之一，随着国际上《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》中淘汰溴甲烷计划的进一步开展，作为新一代的广谱熏蒸剂———硫酰氟（其臭氧消耗值为0）的应用前景将更为广泛。硫酰氟能破坏生物体内磷酸的平衡，抑制氧气的吸收，阻断虫体内贮存脂肪的代谢利用，使之因无法获得生存所需的充足的能量而死亡。

　　(3)环氧乙烷处理（EthyleneOxide）

　　在国内文物保护界，中国文物保护科学技术研究所（现中国文化遗产研究院）最早进行环氧乙烷的灭菌和尾气治理研究，20世纪80年代初又故宫博物院扩大试验规模并引入实用阶段。环氧乙烷一般压缩成液体，与二氧化碳或氟利昂混合使用，其混合比例为1∶9。其能破坏DNA中的核酸物质，阻碍病虫参加正常的生物化学反应和新陈代谢。

　　3、化学加固

　　木材可通过化学加固处理，使木质文物免遭菌、虫和机械损害，使木材的强度、尺寸稳定性和防腐、抗虫能力得到有效增强。化学加固技术在古建筑维修和木质文物的保护中起着重要的作用，加固药剂也分为无机化合物和有机化合物2大类，无机化合物中大量的是一些盐类，易溶于水，主要用于湿材的保护，主要有铝化物（Al2（SO4）3·18H2O），硫酸铝钾（俗称明矾KAl（SO4）2·12H2O）和硅化物等。有机类药剂包括低分子及高分子化合物，主要用于含水率在纤维饱和点以上的潮湿木材的加固，已广泛应用和见诸报道的有:天然胶、油类、油脂、蜡、树脂、虫胶和樟脑、多元醇和糖、纤维素衍生物、甲醛、甲醛树脂、酮树脂、聚乙烯化合物、苯乙烯、聚酯树脂、丙烯和甲基丙烯化合物、环氧树脂、聚酰胺、聚氨基甲酸酯、有机硅化合物和含硫塑料等。其中高分子有机化合物更是目前世界范围内广泛使用的加固药剂，在古建筑维修和木质文物的保护中起着重要的作用。

　　常用的固化方法有真空法、热（催化）固化法和光化学法（辐射固化法）等。冷冻干燥法是处理潮湿木材常用的方法，它能最大限度地减少潮湿木材干燥过程中的开裂和变形，有时也可用作经加速药剂溶液浸驻木材的固化方法，浙江余姚河姆渡遗址出土的木质文物含水率达20%～60%，用此方法成功解决了河姆渡遗址出土的严重降解的大型饱水木质文物的脱水定型问题。应注意的是，经脱水、加固的木器如不注意保存条件，时间长了仍会产生收缩、变形等现象。因此保存木器的室内温度应在18～25℃，相对湿度以在55%～65%之间浮动为好。河北古建筑保护研究所对木结构古建筑加固阻燃技术进行了研究，先获得坚固的基材，然后用特制阻燃剂覆盖加固层，使易燃性木材成难燃性。最后加封护剂以增强抗老化能。南京博物院以乙二醛、尿素为主要原料，以乙醇、聚乙烯醇等多元醇为改性剂合成的一种用于饱水木质文物脱水加固的材料，能对变色木质文物进行脱色处理，使处理后文物的颜色得到很好的恢复。使木材的吸湿性降低，有效控制了收缩率。

　　五、无损检测技术应用于木质文物保护

　　对古建筑木结构维修和保护时，需要在维修前对建筑木结构的保存程度、可靠性和安全性做出评价，这一要求可以通过采用无损检测技术检测木构件的残余强度和木质构件内部缺陷位置而得以实现。为了加强古树名木的保护，也必须在不破坏其生长和引起新的灾害的条件下，对古树内部缺陷进行无损检测，木材腐朽是古建筑木构件中最常见的安全隐患，有些腐朽发生在木材内部，为古建筑维护带来一定困难。通过应用先进的无损检测技术对木质文物进行状况勘查和评估分析，能准确得到文物的损坏信息，可以防患于未然，尽早的对文物实施相应的保护处理措施。

　　目前我国古建筑维修和古树保护中，最方便的无损检测技术是采用肉眼观察和用锤子敲击来判断木结构部件有无空洞或腐朽，然后确定这些木构件是否需要更换。对于一些结构复杂的木质文物，为了给古建筑维护与维修提供科学的依据，就可使用声应力波或超声（应力）波，它们分别是通过应力波传播速度和传播到材料内部表面的回声波的特征，来评定木材腐朽深度等参数。目前应力波技术是对木材进行无损检测最常用的方法之一。其它无损检测技术有电学方法、γ-射线、X-射线。经常使用的仪器有木材阻抗测定仪、应力波测定仪、超声波测定仪和Pilodyn检测仪。

　　六、结语

　　文物集高历史价值、高艺术价值和高自身价值于一体，所以对待每一件文物都必须慎之又慎。在采取任何一种保护措施之前，必须做有针对性的实验，在确保万无一失的情况下，才能十分小心地进行具体实施。木质文物的保护是一项复杂细致的工作，由于木质材料自身的特异性，可以说对每一件具体文物的保护都是一个全新的工作。因此对于文物保护工作者来说，必须不断学习文物知识，努力提高操作技能，真正做好木质文物的保护处理工作。