大气污染对20,世纪建筑遗产石材的影响及预防性保护措施探究
时间：2023-02-19 13:20:06 来源：千叶帆 本文已影响人
文／屈静 北京工业大学城市建设学部 硕士研究生
20 世纪建筑遗产是离我们最近的历史建筑，其形式多样、技术先进、文化内涵丰富，20 世纪建筑遗产的存续对我们意义重大，因此，对此类建筑的保护势在必行。在20 世纪建筑遗产中石材的使用较多，且处于建筑的显著位置，所以石材的劣化会对建筑的安全性、结构以及外观产生不可估量的损害，需要引起重视。文章所指石材包括石材围护结构、石材墙脚构造、石材装饰及石构件等。建筑遗产石材出现劣化，这不仅是自然风化和老化的结果，也是不断发展的工业以及社会和经济生活演变的结果，空气质量下降使得建筑遗产遭受到大气污染物的侵蚀与破坏。虽然近年来我国的空气质量有所改善，但是也无法将污染效应降至为零，因此，大气污染物对20 世纪建筑遗产石材的侵蚀作用也不容小觑。
随着保护理念和技术的发展，建筑遗产保护工作者开始从预防性保护角度开展了一些建筑遗产研究与实践工作。文章将从预防性保护角度总结石材病害类型，深入分析大气污染对石材造成的不利影响，从而探索预防性保护措施，以期避免大气污染物对石材造成持续破坏。
国内早在20 世纪末，就有学者开始关注环境污染问题，王明康等[1]就环境污染对石质文物的影响进行了探讨，研究表明，大气污染是石质文物病害产生的重要因素。边归国等[2]提出对石质文物造成风化腐蚀的主要有二氧化硫、二氧化碳、二氧化氮、臭氧等大气污染物，蔡素德[3]、陈卫昌等[4]还主要探讨了酸雨对石质文物的影响。后来随着国内工业化的发展，空气质量不断恶化使得大气污染物对石材的破坏加剧，加之保护理念向“预防性保护”倾斜，周文静等[5]探讨了大气污染对石质文物的破坏机理及防护措施，范子龙等[6]以预防性保护理念为指导，探讨了对石质文物保存环境的监测。关于建筑遗产石材保护方面的研究也取得了一定成果，主要集中在保护材料及清洗技术方面[7]，以及对石材病害机理的研究[8]。
虽然关于大气污染及石材保护的研究成果较多，但对石材预防性保护方面的研究相对较少，对于石材病害机理的研究也多是站在修复角度。目前对建筑遗产的保护表现出重单体、轻环境的现象。然而，要做到预防性保护，就需要对特定环境中的石材病害进行分析，否则，便无法对可能产生的病害进行预判。在注重建筑遗产本体的同时，也应该重视建筑遗产所处环境，因此有必要了解大气环境对石材造成的影响，以便采取相应的预防措施，抑制病害的发生。
2.1 病害类型
石材的病害由诸多因素引起，因此病害的表现形式也是多样的（表1）。20 世纪建筑遗产石材主要的病害类型如下：
表1 20 世纪建筑遗产石材病害迹象（表格来源：作者自绘自摄）
裂缝：石材出现开裂及隆起现象。
溶蚀：酸雾或酸雨等与石材发生反应生成硫酸钙，雨水将硫酸钙等溶解冲掉，出现溶蚀现象。
酥碱：表现为石材表面不同类型的泛碱现象，有白色粉末状物质析出。
剥落：石材表层出现粉化、起翘与片状剥落等现象。
结壳：外界物质沉积在石材表面形成壳层的现象。
风化：主要是可溶性盐造成的石材内外各种破损。
微生物附着：石材表面由于藻类或菌类附着导致石材颜色发生变化。
斑痕变色：在石材表面出现异于石材本色的颜色及斑痕等，包括水斑水渍、锈黄斑等。
在上述石材的主要病害类型中，溶蚀、酥碱、结壳、微生物附着等病害都与大气污染息息相关。
2.2 影响因素
石材本身具有复杂的化学成分，加之大气污染中的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）及大气颗粒物等因素都会与石材成分发生反应，从而破坏石材。二氧化硫、二氧化氮会加速石材溶蚀；
臭氧具有氧化能力，通过与其他有害气体的相互作用，对石材产生腐蚀与破坏；
大气颗粒物吸附有害气体，也会对石材造成腐蚀。上述影响因素会使建筑石材表面失光、褪色、出现斑痕，甚至导致石材的硬度降低和表面风化剥落。
2.3 作用机理
大气污染物对石材的破坏不仅是单一因素的腐蚀，更多情况下是多种大气污染物的耦合作用。因此，将大气污染对石材的劣化机理归纳为物理、化学、生物三种作用机理。
大气污染对石材最常见的物理破坏是通过强降雨或强风输送空气中的颗粒物对石材表面造成磨损；
其次，还包括颗粒物在石材表面的沉积，甚至造成黑色结壳。在20 世纪建筑遗产中许多外立面石材均有此类问题发生，不仅对石材造成了破坏，还有碍观瞻。
大气污染对石材的影响除了大气颗粒物造成的物理磨损外，化学反应可能是大气污染对石材劣化的主要推进剂。大气中的酸性气体会形成酸雨和酸雾，对石材产生腐蚀损伤，使石材疏松，对石材的牢固性产生威胁；
大气中的颗粒物会形成雾霾，雾霾对20 世纪建筑遗产石材劣化影响颇深，不仅会使石材出现崩裂，还会使石材的化学成分发生变化，甚至生成新的矿物质，这些都会加速石材的劣化。
石材的生物类病害也与大气污染物相关，尘埃是细菌、霉菌的良好载体，空气中的尘埃降落在石材表面上，加之潮湿的环境，可以促进微生物繁殖，导致地衣、藻类、蓝藻和真菌等特殊生物体的发展。这些生物体形成复杂的微生物基质，通过胞外聚合物紧密地附着在石材表面，引发石材斑痕色变、石材风化等病害。
针对大气污染对石材的破坏因素及作用机理，将预防性保护措施分为规避诱因、监测维护和防止扩散三个层面：第一层面的预防指避免大气污染物入侵的方法和措施；
第二层面的预防指通过监测大气环境及建筑本体，使管理者能够及早察觉不良影响的发生；
第三层面的预防指为避免大气污染使得石材病害进一步扩散或产生新的病害而采取的方法和措施。通过以上三步策略，实现石材的预防性保护。
3.1 规避诱因
定期清理石材表面污染物，预防病害发生。大气颗粒物容易在石材表面沉积，加强对石材的定期清理是最便捷有效和可行的预防措施。对建筑遗产石材进行定期清扫，可以预防空气污染物和灰尘的堆积引发石材变色、结壳等病害现象，且轻度的灰尘、污染物等都可以从石材表面去除，可借助毛刷等工具清理轻度沉积的污染物质，但应注意避免划痕或损伤石材表面。目前周期性清理可能是保护石材免受大气污染侵蚀最常用的方法。
选择适当的防护剂进行预防保护。20 世纪建筑遗产石材受大气污染的影响，最根本的措施是控制大气污染，但是不可能使环境污染立刻得到控制，因此，可以选择适当的防护剂涂在石材表面，就如同为其穿上一层特殊的外衣，可以抵御大气污染物及周围环境对其造成污染。建筑遗产石材的防护剂包括天然石蜡、非渗透性涂料、渗透性有机硅类、有机聚合物、纳米无机材料等，不同的防护材料有其各自的优缺点，所以必须根据石材类型、石材的结构及保护要求选择防护剂。
3.2 监测维护
进行大气环境监测。预防石材病害发生的一项重要工作是需要对大气环境进行监测。大气环境监测可以通过采集终端设备实现大气数据信息的采集，再对这些所采集到的数据信息进行分析和处理，可利用信息技术手段把监测到的实时数据同时发布到风险操作平台，了解建筑遗产当前的风险动态；
此外，可利用数字模拟技术对将来的环境状态进行预测，从而预判建筑遗产石材可能出现的风险，主动采取措施进行预防保护。
进行日常检查维护。加强日常检查、维护是防止病害积累诱发重大损坏的预防性保护工作。通过日常检查手段及早发现大气污染物的沉积及腐蚀等引发的早期症状，以便及时干预，预防病害发生。相对于病害发生后的清理工作，日常的检查维护更为重要，不能掉以轻心。需要日常检查维护的不光是建筑本体，还有周围的环境。
3.3 防止扩散
清洗有害物质。建筑遗产石材表面存在污染物沉积、结壳、微生物附着等与大气污染相关的病害。为防止此类病害的扩散或者产生次生病害，需要对其进行清洗。污染物性质有所区别，因此清理污染物的方法也有所不同，大致分为物理清洗和化学清洗。目前较为成熟且常用的清洗技术有水清洗法、化学溶剂清洗法、喷砂清洗法以及新兴清洗法，新兴清洗法包括激光清洗、超声波清洗、干冰清洗等[9]。每一种清洗方法都有其自身适用性，要根据实际情况进行选择和应用，不可“一刀切”，同时也要避免过度清洗。
加固受损石材。针对风化比较严重的建筑遗产石材，可采用加固的方式来恢复其结构的连续性。目前加固方法包括喷涂法、贴敷法、灌装法等，加固材料分为无机加固材料和有机加固材料[10]。为了不破坏石材原貌，应选择无色透明且不会与石材发生化学反应的加固剂，加固石材、填补空隙，以此避免大气污染物继续向石材表面之下渗透。
4.1 正金银行旧址概况
东郊民巷正金银行旧址建于1910 年，是由日本建筑师妻木赖黄设计建造的（图1），位置处于正义路与东郊民巷交叉口的东北角（图2）。2001 年正金银行旧址被列为全国重点文物保护单位，现为中国法院博物馆。银行主体建筑平面呈曲尺形，西立面较长，南立面较短。正金银行旧址是砖石结构，地上二层，地下一层，转角处是三层弧形塔楼，外立面由红砖与石材交替砌筑，立面设计为三段式。由于正金银行旧址在台基、壁柱、壁龛、窗套、挑檐、腰线等位置大量运用石材，所以以此为例探讨石材预防性保护措施的应用。
4.2 正金银行旧址病害现状
北京市大气污染物总量较大，长期属于空气污染相对严重的地区。北京市主要大气污染物包括：细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）四类，然而，这些都是对石材造成影响的主要污染物。同时，北京地区春季冷暖空气活动频繁，易发生沙尘暴，对石材造成了一定影响。此外，正金银行旧址处于城市道路的交叉口，南立面及西立面无院墙遮挡，完全暴露在外，频繁来往的车辆会使得颗粒物的浓度增加。由此可见，银行外立面石材的病害大多与大气污染物有关。
正金银行旧址石材的病害主要表现为其立面的石材破损、表面变色、石材泛碱、剥落、溶蚀、污染物沉积、结壳等（图3），其中许多部位出现黑色斑痕，且斑痕面积较大，而大气污染可能是导致石材表面变黑的主要因素。正金银行大楼的病害主要分布在以下几个部位：墙脚位置、台阶、墙体转折处、壁龛及窗套、檐口等凹凸明显的位置，这些部位容易导致污染物的积聚，从而产生病害。
4.3 石材预防性保护措施的运用
通过上述对正金银行的概况及病害情况的分析，结合文中第4 小节的预防性保护措施，可以对其采取相应的保护措施。
4.3.1 清理及清洗污染物
对于石材表面的轻度污染物，应定期进行清理，避免长时间积聚对石材造成腐蚀或结壳等。对于石材上的顽固结壳、泛碱、黑色斑痕等病害，需要对其进行清洗，预防病害的扩散。首先可用目测法判断正金银行的石材的污染程度；
其次根据石材特性和其污染程度，调配不同清洗剂选择隐蔽部位进行小面积清洗实验，根据实验结果选择最合适的试剂，必须既能清理污染物，又能不伤害石材；
最后选择合适的清洗方法，确定清洗方案[11]，清洗过程中要保护好不需要清洗的部位，随时清理清洗剂残液。
4.3.2 对石材进行养护
对于石材的养护也并非越多越好，首先要判断哪些石材需要养护，可通过综合判断或简单的实验测定来确定需要养护的石材。其次要慎重选择养护剂，即便是具有普适性的养护剂，在不同石材上的使用方法也会有所不同，需要因材制宜[9]。在养护工作开展之前，也应像清洗一样首先在影响较小的部位进行实验，待养护结果得到相关专家的认可后，再全面开展养护工作。
4.3.3 建立监测与日常维护机制
由于正金银行处于道路交叉位置，且无院墙遮挡保护，对其环境的监测尤为重要，通过监测预判可能产生的病害，提前采取预防措施；
同时要对石材进行日常维护与检查，发现病害苗头及时进行预防控制，清扫周边污物，防止其沉积到石材表面；
维护绿化环境，正金银行南侧及西侧种有树木，树木具有净化污染物的功能，对周边绿植的维护在一定程度上也可以预防大气污染物对石材的侵蚀。
大气污染对20 世纪建筑遗产石材影响较大，本文通过分析大气污染物对石材的影响因素及作用机理，针对大气污染对石材的破坏从规避诱因、监测维护和防止扩散三个层面提出较为可行的预防措施，包括：加强对大气环境的监测及石材日常检查，同时采用定期清理、清洗、加固、涂抹防护剂等方法预防大气污染对石材的破坏，并通过东郊民巷正金银行旧址这一实例论述了预防性保护措施的应用。虽然保护措施各有千秋，但仍有不足之处，面对大气环境的污染现状，加强大气污染治理对建筑遗产的保护至关重要，也是根本措施，确保最大限度地从大气污染这一源头上减少其对于建筑遗产石材的破坏。
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