甘肃糟朽木器安全状况评估技术研究.pdf

第 卷 第 期 年 月文物保护与考古科学 .收稿日期:修回日期:作者简介:陈庚龄()男甘肃省博物馆副研究员研究方向为文物修复与保护研究 :.文章编号:():././.甘肃糟朽木器安全状况评估技术研究陈庚龄容 波李 强(.甘肃省博物馆甘肃兰州 .秦始皇帝陵博物院陕西西安 .中科院上海硅酸盐研究所上海)摘要:甘肃木器代表了我国汉代雕刻技艺的最高水平 糟朽是甘肃木器的典型特征通常纤维素降解度高达甘肃木器因材质固有的木材属性及缺陷性对环境中的湿度、湿气和水分较为敏感容易引发“湿胀干缩”效应致使器物后期不易保存、保护 如何对糟朽木器安全状况进行科学评估是当前基础研究领域亟待解决的课题 针对目前评估技术中存在的弊端、难题本研究通过对评估方法、方式的深刻剖析对木材材质特征及属性分析对衡量及表征材质形态与结构变化相关物理参数的梳理应用现代分析仪器及其成熟分析技术对采集试样进行了形貌观察和测试数据分析研究表明:胎木含水率作为影响糟朽木器结构与形态稳定的决定因素是安全评估的唯一衡量指标胎木容重值、纤维结晶度与纤维降解度作为材质物理化学性能综合考量的表征参数均客观地反映了材质质量或状况的实际变化情况可作为量化评估参考指标确定胎木含水率的安全变化范围为 安全波动幅度为 依据上述结果制定了糟朽木器安全评估的相关界定标准:)胎木含水率在安全范围、幅度内波动、变化时表征参数物理量变化轻微器物则处于安全区)胎木含水率超出安全范围变化时且波动频率频繁往往会持续引起容重值变小、纤维结晶度降低、纤维降解度增大造成胎木的形态与结构发生严重改变致使器物处于危险区)胎木丧失维持自身平衡效应的能力致使表征参数物理量变化值极度异常尤其当胎木素含量达到 时纤维素几乎完全降解器物则已处于濒危区 最后综合、梳理分析结果设计、创建了科学、规范的糟朽木器安全评估技术构架该技术采用定量与定性相结合的方式特点是重数据、重证据提升、强化了科技含量方法简单、实用易于掌握关键词:糟朽木器胎木含水率安全评估中图分类号:.文献标识码:引 言河西走廊作为古代丝绸之路的黄金通道为促进东西方经济贸易和文化交流发挥了极其重要的作用 世纪 年代以来考古工作者在武威磨咀子、高台骆驼城遗址等地考古发掘中出土了以六博俑、彩绘木马等为代表的大量木器数量之多内容丰富保存完整为以往中国考古所罕见 这些富有甘肃地域特色的历史文化遗物具有独特的历史和文化艺术价值是古代丝路文明重要的历史见证其制作工艺则代表了我国汉代雕刻技艺的最高水平糟朽是甘肃出土木器的典型特征 长期遭受墓葬埋藏环境因素影响、作用造成器物结构与形态发生改变如外观颜色变色胎木容重值减小纤维结晶度降低纤维降解程度严重(实验测定值高达)从木材学角度来说糟朽木器胎木保持适当、一定的含水率才能维持其材质形态与结构的稳定 在通常保存情况下受环境平衡含水率的影响、作用胎木含水率会波动、变化直至与之建立动态“平衡”此时器物则处于相对安全状态 此外由于材质的固有属性及缺陷性对环境中的湿度、湿气和水分较为敏感胎木含水率会随之发生变化若胎木在吸湿(吸收水分)与解湿(干燥失水)过程中因二者频率、速度的不均衡致使“平衡”随之会波动变化甚至被破坏引发“湿胀干缩”效应从而对糟朽木器的保存构成了威胁加强文物预防性保护尽量减少对文物本体干预将是今后糟朽木器保护工作的发展趋势和方向开展关于藏品保存的安全状况评估是实施预防性保护工作的前提如何对糟朽木器保存状况进行安全评估建立科学、规范的评估技术体系尤其是如第 期陈庚龄等:甘肃糟朽木器安全状况评估技术研究 何引入量化考量评估构架是目前基础研究领域亟待解决的难题与课题 本研究通过对糟朽木器安全评估技术与方法研究为后期糟朽木器预防性保护提供技术支撑 目前评估工作中存在的问题及解决方案在当前糟朽漆木器保护领域保护材料的研发、技术创新的相对滞后已成为目前制约事业发展的瓶颈在一时难以解决和突破的情况下尽量减少对文物本体的干预加强文物预防性保护已成为今后保护工作的重点而前期如何对藏品的安全及保存状况进行科学评估提供最佳的保护方案则显得尤为重要也是需要着力解决的难题首先评估技术方面目前国内还未曾就糟朽木器保护颁布或出台有关藏品安全评估方面的行业规范、标准其他行业也没有可供文博业内参照的相关规范、标准为了解决这个难题以往评估通常采取借鉴其他相关评估技术来代替尽管实际工作中可通过病害评估为安全评估提供“间接”依据所得出的结论多是局部、片面的其结果往往是不尽人意其次评估方式、方法方面原有的评估方式、方法过于简单、粗糙没有考虑所得出结论的科学性以及没有深刻考证依据来源的真实性、可靠性 在评估过程中往往是带有评估者个人主观和经验性结论多一些得出的结果具有局限性最后在定性和定量的认知上以往评估不注重科学依据 由于缺乏科技和数据的支持通常定性评估的比重相对占优而往往忽视了量化评估的重要性所得出结论缺乏科学依据和数据支持致使形式单一、内容空洞结果让人难以信服因此针对目前评估存在的问题应着力加强、开展糟朽木器安全评估技术与方法的研究成熟、科学的分析技术应用到评估工作中以分析数据和物相证据为重以定量为主、定性为辅且两者相结合的评估方式来提升和强化评估技术中的科技含量对于糟朽木器保护基础学研究将是新的创新和突破 样品及研究方法.样品本研究工作所涉及的 个样品中有 个样品来源于甘肃武威、高台等周边地区出土木器(脱落残块)及棺板木另外 个普通木材样品的实验测定值引用自文献 实验样品信息见表 表 糟朽木器样品信息及实验分析结果 样品编号材质类型样品来源年代出土地点树种类型胎体容重值/()纤维结晶度/纤维素降解度/普通木材现代云杉.木马(马身)武威市博物馆汉武威磨咀子云杉.木盒武威市博物馆汉武威磨咀子云杉.木牍高台县博物馆汉高台骆驼城遗址云杉.木俑残块高台县博物馆魏晋高台骆驼城遗址云杉.木牍酒泉市博物馆汉酒泉狼窝湾云杉.棺板(木楔子)酒泉市博物馆魏晋酒泉西凉王李蒿墓圆柏.棺板(木楔子)金塔县博物馆魏晋金塔大坡梁遗址圆柏.木马马蹄(残块)民乐县博物馆汉民乐八卦营遗址云杉.木构件(残块)临泽县博物馆汉临泽化音村云杉.研究方法.树种鉴定分析研究工作应用木材学生物切片分析技术对样品进行材质树种鉴定使用日本 型偏光显微镜参考依据为/中国主要木材名称.扫描电镜形貌分析使用扫描电镜对糟朽木器样品的纤维结构进行了形貌观察仪器为日本日立()型扫描电镜分析条件:电压为 放大 倍工作距离为 .射线衍射谱图分析使用 射线衍射仪对糟朽木器样品的纤维结晶度及纤维降解度进行分析和测定仪器为日本理学电机公司 型 射线衍射仪测定条件:加速电压 管流 扫描范围为 /.容重值的测定研究工作采用常规物理方 文物保护与考古科学第 卷法对糟朽木器样品的容重值进行了测定称量使用国产正峰 电子天平最大量程 精度为 测量使用得力()机械式游标卡尺量程 误差 .含水率的测定胎木含水率的测量方法很多实验室通常采用烘干法烘干法样品采集量较大显然对文物安全是不适宜的 在实际评估中可选择使用的一些无损检测设备目前市面上如德图产 型木材水分检测仪测量范围:适用树种:云杉、落叶松、桦木等测量精度:分辨率:测量速率:糟朽木器材质鉴定及属性分析.树种鉴定器物树种鉴定通常采用徒手切片法通过显微镜对生物切片进行观察依据所观察的构造特征来确定木材的树种种类 年甘肃省博物馆委托南京林业大学木材科学研究中心对研究样品进行鉴定分析鉴定结果见表 表 树种鉴定结果表明车马器和生活用器多选用云杉(易雕刻)棺椁用材多选用圆柏(耐腐蚀)说明了糟朽木器制作原料的多样性 其中武威磨咀子汉墓出土彩绘木马(马身)残块经鉴定树种为云杉这和早期树种鉴定结果是相吻合的其材质显微构造见图 图 横切面生长轮明显轮间晚材带色深早晚材急变图 径切面早、晚材管胞壁上螺纹均有分布加厚比较明显呈倾斜排列图 弦切面轴向薄壁组织量少纺锤形射线分散内含径向树脂道射线管胞内壁通常无锯齿另外分析工作对彩绘木马(马身)残块进行了电镜形貌观察观察结果见图 器物木质纤维糟朽严重组织结构分布有明显的横向裂纹而且断裂很严重同时清晰可见管胞壁有纹孔可见有细菌活动痕迹和留下的微生物残体图 糟朽木器材质显微构造.图 电镜形貌观察结果.第 期陈庚龄等:甘肃糟朽木器安全状况评估技术研究 .材质属性木材结构构造上具有多孔性有着易吸收水分的属性这种属性对周围环境中的湿气或水分具有很强的亲和力同时木材吸附的含水量也会随外部环境的变化而变化 一般情况下当空气中蒸气压大于木材表面蒸气压时木材组织从外吸收水分含水率增大反之则干燥失去水分含水率降低 糟朽木器材质不仅具有木材属性而且其胎木含水率也会随保存环境温度、湿度变化而改变.材质缺陷性通常木材存在“湿胀干缩”效应往往会因自身含水量的波动、变化引起其材质形态和结构改变另外木材因细胞壁内吸附水量变化引起体积变化发生干缩现象也称作“各向异性”当木材构造纹理不直、不匀时表面和内部水分干燥时失水速度就会不一致造成各部分干缩程度不同时则会发生弯曲、扭曲等不规则收缩、变形或不均衡纹理时表面则会出现裂缝、开裂这种“湿胀干缩”效应以及“各向异性”现象的存在致使木材材质存在缺陷性特别是对糟朽木器保存而言是非常不利的后期保护应尽量避免这种情况发生 否则难免会对器物材质形态和结构造成损伤导致器物外观结构变形、开裂.含水适当性木材 含 水 率 与 其 保 存 环 境 的 平 衡 含 水 率()之间存在着相平衡的趋势 当木材含水率高于环境的平衡含水率时木材会排湿收缩反之会吸湿膨胀 因此为了安全起见木质家具在出厂前通常要进行脱水、烘干处理使其保持到安全的含水率 例如广州地区年平均的平衡含水率为 北京地区却为 含水率干燥到 的木材用于北京是合适的可用于广州将会吸湿膨胀、产生变形所以说木材干燥要适当并非越干越好 地区不同、用途不同对木材含水率的要求也是不一样的因此对于糟朽木器的保存而言也应当保持稳定、适当的含水率这对文物的长久保存来说才是安全的 衡量及表征材质形态、结构变化的物理参数.衡量指标.胎木含水率 正常状态下的木材及其制品都会含有一定数量的水分 在研究上一般木材含水率是以全干木材的质量作为计算基准即水分的质量与绝干后木材质量的百分比 糟朽木器因纤维组织结构破损、残缺不全细胞质发生腐变、流失细胞壁只含有少量的纤维素不易储存大量吸着水所以胎木的含水率一般较低 经实验测定兰州地区糟朽木器的胎木含水率约为.纤维饱和点器物胎木含水率达到纤维饱和点()以上时外观形态与结构强度等物理性能稳定不随含水率的变化而改变反之器物胎木含水率达到纤维饱和点以下时意味着其材质形态与结构将会发生变化或改变 一般来说由于受所在区域及保存环境影响糟朽木器胎木含水率要远低于纤维饱和点.平衡含水率 由于木材自身的吸湿属性通常湿材在空气中放置时会不断蒸发水分而干材在空气中放置时周围空气中的水分则会被吸收当蒸发和吸收水的速度最后相等时这时木材的含水率与平衡含水率在数值上达到一致 同时平衡含水率是受大气环境湿度的影响而变化根据兰州地区平衡含水率年变化规律及测定值 月出现最低值为 而 月出现最高值为 结合胎木含水率与平衡含水率的动态平衡关系可确定兰州地区木材含水率年变化范围为 安全波动幅度为 由此得出:对于糟朽木器而言其胎木含水率在该范围、幅度内波动、变化时器物则是安全、稳定的.表征参数.容重值木材容重值是以含有细胞腔等空隙在内的外观单位容积质量(/)来测定的如全干材容重值()计算公式为:/其中、分别表示全干材时的质量、体积 树种不同其容重值也不同随木材含水率变化而变化 糟朽木器因纤维素发生降解通常其胎木容重值要远低于原木的容重值 另外研究工作对样品的容重值进行了测定测定结果见表.纤维结晶度 木材纤维素构成上具有结晶区和非结晶区(无定形区)结构特征 因此纤维结晶度是表征纤维素内部结构状况的一个重要指标它能够体现纤维素材料的某些性质如:结晶度越大材料的稳定性、强度、耐热性等特性越好材料的硬度、容重值等也越高 目前利用 射线衍射分析技术可以了解、掌握糟朽木器材质纤维素降解后结晶区与非结晶区的状况同时 射线衍射法是最常用的一种纤维结晶度的测定方法可根据 文物保护与考古科学第 卷 经验法来计算纤维结晶度即所谓的峰强度法通过图谱上相应位置的衍射峰强度相对大小进行计算 计算公式为:结晶度()()/其中:为试样 为 时的晶面衍射强度为试样 为 时的无定形区衍射强度研究工作对样品的纤维结晶度进行了测定测定结果见表 其中武威磨咀子汉墓出土木马(马身)射线衍射分析谱图见图 从表 纤维结晶度的分析结果看相对于新鲜木材棺板木因材质保存较好纤维结晶度为 左右而糟朽木器纤维结晶度均值约为 表明糟朽木器纤维结晶度均明显降低图 武威磨咀子出土彩绘木马(马身)胎木 射线衍射分析谱图.纤维降解度 木质纤维通常受细菌和真菌影响和作用而分解、降解 一般来说造成木材降解的因素很多往往是多种病害因素综合腐蚀作用的结果类型包括自然降解和生物降解 木材的成分有纤维素、半纤维素多糖和木质素等木质腐朽因素包括菌害、虫害和变色等主要是因为木质内部的多糖和木质素等主要成分在水和空气的作用下成为菌害和虫害的温床发生了一系列腐蚀病变当胎木含水率在 以下时木腐菌就无法生存繁殖研究表明同一树种腐朽材与健康材相比结晶构造没有发生变化但结晶度下降说明腐朽破坏了纤维结晶区的结晶程度 因此通过 射线衍射法对比、比较纤维结晶区和非结晶区积分面积变化情况利用结晶区降解引起结晶度降低程度来反映纤维降解度 此外研究工作对样品的纤维降解度进行了测定测定结果见表 从表 纤维降解度的分析结果看糟朽木器纤维降解度均在 以上而棺板木因材质原因降解度在 左右表明糟朽木器纤维素均已发生了严重降解 评估技术与方法.遵循原则评估工作应遵循文物保护相关原则、规范 因受目前分析技术、条件限制分析工作暂时还不能完全做到无损分析只能尽量使用成熟分析检测技术做到样品采集对文物伤害尽量最小化且不影响二次检测本分析工作所涉及样品均来源于残损文物资料品关于糟朽木器病害类型及程度评估可依据/馆藏出土竹木漆器类文物病害分类与图示及竹木漆器文物腐蚀状况评估等级划分标准中相关方法进行认定 另外需要说明一点糟朽木器形态变色原因主要是早期埋藏环境致使胎木中木质素含量过高造成的鉴于外观颜色基本趋于稳定考虑到对评估结果影响甚微文中不再赘述.技术构架综合、梳理以上分析结果提出、创建了符合当前糟朽木器安全评估的技术构架基本结构如图 所示.评估方法根据胎木含水率与平衡含水率的动态关系综合胎木含水率变化对糟朽木器结构和形态的影响、作用结果最终对器物的安全状况进行评估 评估采用定性与定量相结合的方式定性评估重点对糟朽木器形态状况进行评估包括外观颜色、病害类型及程度与形貌观察等考量定量评估重点对糟朽木器结构状况评估包括容重值、纤维结晶度、纤维降解度等表征参数的量化考量 具体方法如下:)安全区 界定标准:胎木含水率的测定值处于 的安全范围及 的安全幅度内波动、变化时因平衡效应的作用则胎木容重值、纤维结晶度与纤维降解度等表征参数物理量(测定值)变化轻微或几乎不发生改变变化特征:器物能够维持自身胎木含水率与环境平衡含水率的动态平衡平衡期间其形态与结构不会发生变化或改变表明糟朽木器处于安全区无需对器物进行干预第 期陈庚龄等:甘肃糟朽木器安全状况评估技术研究 图 糟朽木器安全评估技术构架.)危险区 界定标准:胎木含水率的测定值超出 的安全范围频繁波动、变化时一般往往会导致表征参数物理量发生改变存在持续不断且更加严重的变化趋势造成的结果是:在原有基础上会继续引起容重值变小纤维结晶度降低纤维降解度增大变化特征:胎木含水率的测定值若低于 时受平衡效应作用胎木会发生吸湿引起、造成材质形态膨胀该过程以形态变化为主是一个逐渐“量”变过程若高于 (低于纤维饱和点)时受平衡效应作用胎木因干燥失水会发生解湿而引起、造成材质结构发生改变该过程以结构变化为主是一个逐渐“质”变过程 上述两种情况下尽管最终胎木含水率均有着与平衡含水率相平衡的趋势因波动、变化幅度过大且频率过于频繁时致使内部结构应力变化不均衡极易导致胎木形态、结构发生改变往往这种“结果”一旦产生造成的后果是其形态与结构无法恢复或复原 此时需要对器物的保存环境采取相应的干预措施)濒危区 界定标准:器物丧失维持自身平衡效应的能力(以病害评估结果为准)表征参数的物理测定值变化幅度剧烈而且测定结果明显异常当胎木木质素含量达 时由于纤维素几乎完全发生降解此时纤维结晶度为 纤维降解度接近 文物保护与考古科学第 卷变化特征:胎木糟朽或受损、变形严重表面会常伴有“掉渣”现象尽管有些器物依然呈现出“完好”的外观形态可是即使轻微的外力作用瞬间都会引起其结构崩塌后期仅作为文物标本只用于研究.技术优点针对实际评估工作中存在的难题在整理、梳理以往评估技术的基础上突破了原有理念的局限性通过新技术的应用和创新研究建立适合于当前糟朽木器安全评估构架模型 解决了原有评估方法、方式中存在的问题:如评价较为主观无法量化不够科学等等该方法简单、实用且重数据、强化量化得出的结论更具科学性和说服力 结 论目前在基础学研究方面关于糟朽木器评估技术研究成果较少 研究工作对糟朽木器安全评估技术进行了有益的探索和创新突破了多年来一直困扰的技术瓶颈结合实践的基础上提出、设计了全新的评估技术构架方法科学、规范而且有理、有据并得出以下结论:)胎木含水率作为影响糟朽木器结构与形态稳定的决定因素是安全评估的唯一衡量指标)胎木容重值、纤维结晶度与纤维素降解度作为糟朽木器物理化学性能考量的表征参数均直观、真实反映了材质质量或状况变化情况可作为量化评估的参考指标)确定胎木含水率的安全变化范围为 安全波动幅度为 由此制定了糟朽木器安全评估的相关界定标准)该技术采用定量与定性相结合的评估方式特点重数据、重证据进一步提升、强化评估技术中的科技含量方法切合实际易于掌握参考文献:陈庚龄卢燕玲.甘肃出土糟朽木器环境腐蚀与机理研究.文物保护与考古科学():.():.黄书生.木材的识别和用途.长沙:湖南科学技术出版社.:.刘一星赵广杰.木材学.北京:中国林业出版社.:.国家技术监督局.中国主要木材名称:/.北京:中国林业出版社.:/.:.于洋车新生张艳秋.木材含水率检测系统.沈阳工业大学学报():.():.陈庚龄.甘肃出土糟朽木器形态与结构分析.文物保护与考古科学():.():.周永东.木材含水率测量方法及影响因素分析.木材工业():.():.李新宇张明辉.利用 射线衍射法探究木材含水率与结晶度关系.东北大学林业学报():.():.:.杨蕊韩景泉兰平等.生物质纤维素结晶度的研究进展.木材加工机械():.():.张金萍.考古木材的变色与脱色研究/中国文物保护技术协会第三次年会论文集.北京:紫禁城出版社:./.:.张新玲王立海高珊.小兴安岭 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