石質(zhì)文物因為其歷史意義和藝術(shù)價(jià)值，一直受到社會(huì )各界的關(guān)注。然而，石質(zhì)文物在長(cháng)期的歷史變遷過(guò)程中，受自然環(huán)境及人類(lèi)經(jīng)濟、社會(huì )活動(dòng)等方面的影響正在遭受著(zhù)不同程度的破壞。傳統方法雖能在一定程度上保護石質(zhì)文物，但是，隨著(zhù)工業(yè)社會(huì )的發(fā)展，石質(zhì)文物病害呈現復雜化和多樣化的特點(diǎn)，傳統方法由于其技術(shù)等條件的限制，存在對石質(zhì)文物病害診斷不當而產(chǎn)生次生破壞的風(fēng)險?？萍急Ｗo方法則可以對石質(zhì)文物病害進(jìn)行準確的分析與診斷，采用新型科技材料及工藝對石質(zhì)文物進(jìn)行保護、長(cháng)期監測，進(jìn)而延長(cháng)石質(zhì)文物的壽命。本文綜述了近年來(lái)石質(zhì)文物科技保護在病害機制診斷、清洗方法、新型材料、監測技術(shù)及信息技術(shù)運用等方面取得的重要成果。
一、石質(zhì)文物保護的相關(guān)研究
1、石質(zhì)文物病害及檢測技術(shù)研究
（1）石質(zhì)文物病害產(chǎn)生原因及破壞機理
ＷＷ／Ｔ0002—2007《石質(zhì)文物病害分類(lèi)與圖示》［１］界定了文物表面生物病害、機械損傷、表面（層）風(fēng)化、裂隙與空鼓、表面污染與變色、彩繪石質(zhì)表面顏料病害、水泥修補７種石質(zhì)文物破壞的類(lèi)型。近年來(lái)也有不少學(xué)者針對石質(zhì)文物病害產(chǎn)生的原因及其機理展開(kāi)了詳細而深入的研究。
謝振斌等［２］通過(guò)一系列模擬實(shí)驗，認為通過(guò)凍融、水解等作用形成的水的運動(dòng)，是砂巖表層裂變、砂巖內部化學(xué)成分遷移和鹽類(lèi)物質(zhì)轉化的重要原因。此外，一些有害氣體、苔蘚等生物、可溶性鹽也是崖墓風(fēng)化破壞的關(guān)鍵因素。邵明申等［３］發(fā)現承德避暑山莊的一些砂巖文物上面也產(chǎn)生了比較嚴重的風(fēng)化病害，進(jìn)而在實(shí)驗室通過(guò)對這種砂巖檢測所得的巖石學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等數據分析該種砂巖文物的風(fēng)化機理，發(fā)現巖體內的鹽分膨脹及鈣質(zhì)膠結物的溶解是該種砂巖風(fēng)化剝落及粉化破壞的主要原因。除了ＷＷ／Ｔ0002—2007《石質(zhì)文物病害分類(lèi)與圖示》載明的病害種類(lèi)外，其他產(chǎn)生石質(zhì)文物病害的原因也是不容忽視的，張克燮等［４］認為水文、氣候、地質(zhì)構造等因素在一定程度上也會(huì )產(chǎn)生石質(zhì)文物的環(huán)境地質(zhì)病害。金皓［５］通過(guò)對寧波地區氣候、降雨的分析，認為溫濕度、凍融、酸雨、風(fēng)沙等外部環(huán)境因素綜合作用是石質(zhì)文物病害產(chǎn)生的重要原因。王翀等［６］從露天石質(zhì)文物風(fēng)化角度，分析了藻類(lèi)、地衣、苔蘚等生物及復雜生物群落對石質(zhì)文物的破壞機理，提出了一些處理和預防石質(zhì)文物表面生物破壞的方法。
（2）石質(zhì)文物病害檢測技術(shù)
采用一些無(wú)損或微損檢測技術(shù)對石質(zhì)文物的病害進(jìn)行科學(xué)診斷是合理制訂石質(zhì)文物保護方案的前提和基礎。隨著(zhù)現代科技的發(fā)展，在石質(zhì)文物保護領(lǐng)域也運用了很多先進(jìn)的檢測設備和檢測技術(shù)，這些設備和技術(shù)的應用大大提高了對石質(zhì)文物病害診斷的準確率。
對石質(zhì)文物的檢測工作主要有超聲波無(wú)損探傷、電法勘探檢測裂隙等，分析工作有成分分析、晶相分析和力學(xué)狀態(tài)分析等［７］。孫進(jìn)忠等［８］運用瑞雷波和超聲透射波對義烏古月橋橋身條石、北京西黃寺抱鼓石和故宮漢白玉欄板進(jìn)行了無(wú)損檢測。張志國等［９］運用超聲波法對北京出土的乾隆御碑的內部損傷情況進(jìn)行了檢測，該種方法甚至可以通過(guò)定量探測碑體內部裂縫的發(fā)育程度及其走勢來(lái)判斷其風(fēng)化程度。楊雋永等［１０］用Ｘ射線(xiàn)衍射（ＸＲＤ）對新昌大佛寺石塔礦物成分、密實(shí)度、孔隙率等理化性能進(jìn)行檢測，用超聲波測量?jì)x、回彈儀和劃痕儀進(jìn)行石塔風(fēng)化程度的檢測，采用便捷式熒光儀配合Ｘ衍射儀檢測石塔表面風(fēng)化成分；同時(shí)，通過(guò)測量基因序列后與全球基因數據庫比對來(lái)分析微生物的種屬關(guān)系，進(jìn)而為合理設計石塔修復方案奠定了基礎。張新鵬等［１１］在對花山巖畫(huà)勘察分析的同時(shí)進(jìn)行了聲波測試，對采集的巖體波速和開(kāi)裂厚度的數據進(jìn)行了建模、擬合，隨后定量計算出巖體風(fēng)化厚度，進(jìn)而找出該類(lèi)巖體開(kāi)裂的主要原因。張中儉等［１２］利用三維掃描結合超聲波技術(shù)對承德避暑山莊部分不規則形狀的石質(zhì)文物的裂隙發(fā)展深度進(jìn)行了無(wú)損定量檢測。此外，方云等［１３］用探地雷達來(lái)檢測龍門(mén)奉先寺大佛的裂隙，該技術(shù)因其具有精度高、無(wú)損和快速的特點(diǎn)而極大程度地簡(jiǎn)化了對一些隱藏巖體裂隙和巖洞的調查工作，有利于對一些不易取樣的石質(zhì)文物開(kāi)展科學(xué)研究。孫亞麗等［１４］在衢州古城墻采集多塊不同巖性的巖石，然后在同等風(fēng)化條件下進(jìn)行了風(fēng)化速度及風(fēng)化剝落深度的研究，進(jìn)而定量得出了砂巖、礫巖等７種巖石抗風(fēng)化能力大小的關(guān)系，為石質(zhì)文物風(fēng)化病害診斷提供了理論依據。黃志義等［１５］在研究北魏宣武帝景陵地下墓室時(shí)，認為雷達與紅外熱成像技術(shù)兩者相結合對墓室滲水病害的檢測與治理有良好效果。張慧慧［１６］通過(guò)在實(shí)驗室模擬巖石滲水情形，驗證了可以用紅外熱成像法對大型石質(zhì)文物病害等級進(jìn)行劃分的設想。周霄等［１７］從溫度分布角度，對承德永佑寺避暑山莊后序碑進(jìn)行紅外探測，借助24ｈ內溫度場(chǎng)的變化圖像分析其內部裂隙及水分狀況，進(jìn)而測出碑體內部裂隙走向，為后序碑的穩定性保護提供了依據。
2、石質(zhì)文物的主要清洗方法
一般而言，石質(zhì)文物表層的污染物在一定程度上展現了其悠久的歷史，應該將其保留下來(lái)。但是，在當今工業(yè)發(fā)達和環(huán)境污染日益加劇的情形下，石質(zhì)文物和古建筑表面污垢的沉積病害對其本體石材的壽命造成了極大的威脅。在這種情況下，清洗便是石質(zhì)文物和古建筑保護的重要環(huán)節。
石質(zhì)古建筑和文物具有特殊價(jià)值，在清洗前要做好充分的準備工作，確保在不對其產(chǎn)生副作用的前提下達到一個(gè)科學(xué)合理的清洗效果。陸文寶［１８］認為，在對石質(zhì)文物清洗前應做好石質(zhì)文物環(huán)境調研，對石質(zhì)文物劣化情況進(jìn)行分析，分析污垢類(lèi)型并選取合適的清洗方法，然后進(jìn)行清洗試驗等一系列工作。
目前，石質(zhì)文物清洗方法有手工、物理、化學(xué)清洗和吸附脫鹽技術(shù)等［１９］。張秉堅等［２０］主要介紹了幾種常用的清洗方法，如水清洗、化學(xué)清洗、洗粒子噴射和激光清洗。水清洗法包括水浸泡、高低壓噴淋、噴射霧化蒸氣等?；瘜W(xué)清洗方法主要有螯合法、生物法、吸附材料和貼敷技術(shù)、表面活性劑法等，因為敷貼法具有耗用藥試劑量少、易于在垂直面和頂面敷貼、時(shí)間可控等特點(diǎn)，所以它是大體量石質(zhì)文物化學(xué)清洗的一種重要方法［２１］。粒子噴射清洗作為一種物理清洗方法，具有清洗效率高、可控度好及無(wú)化學(xué)殘留等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理主要是在微粒子沖擊作用下使污垢層直接從石材表面剝離或者微粒子沖擊運動(dòng)將污垢磨損去除，因此，對表面簡(jiǎn)單的積塵、土銹及其鈣化結殼等無(wú)機形態(tài)的污染物，清洗效果比較好［２２］。激光清洗污染物范圍廣泛，且具有無(wú)損、精度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［２３］，其清洗原理是激光照射在污垢表層，在污染微?；虮韺游漳芰亢?，產(chǎn)生汽化或光分解等作用，進(jìn)而達到清洗污垢的效果［２４］。此外，葉亞云等［２５］研究了在激光輻照下砂巖的損傷程度，先試驗性地用激光清除砂巖表層墨跡污垢，得到了一些激光清洗的參數并且總結了能夠達到最佳激光清洗效果的方法，隨后在四川綿陽(yáng)碧水寺進(jìn)行了外場(chǎng)實(shí)驗，進(jìn)而證實(shí)激光能安全有效清洗煙熏污垢。齊揚等［２３］也在云岡石窟驗證了激光清洗的效果。
3、石質(zhì)文物的相關(guān)保護材料
石質(zhì)文物具有特殊的歷史文化價(jià)值，且具有不可再生性，因此，在對石質(zhì)文物加固保護之前，應結合所保護石材特征仔細了解保護材料的物理化學(xué)性質(zhì)，謹慎選取保護材料。
目前，應用于石質(zhì)文物修復的無(wú)機材料有氫氧化鋇、石灰水等灌漿加固材料，以及油、蠟等表面封護劑，常用于石質(zhì)文物保護的有機材料主要有環(huán)氧、丙烯酸類(lèi)樹(shù)脂和有機硅樹(shù)脂等。劉佳等［２６］對各種無(wú)機、有機材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。無(wú)機材料，如石灰水、氫氧化鋇、硅酸鹽加固材料，以及油、蠟表面封護劑，能在巖石表面形成保護層，但對巖石內部的保護作用并不大，彈性、疏水性、黏結力等性能并不理想；環(huán)氧樹(shù)脂，能在常溫常壓下固化，黏結性強、收縮性小、耐霉菌，是較強的抗化學(xué)溶劑，但耐候性、疏水性及滲透性差，易堵塞水蒸氣的流通，紫外線(xiàn)照射后易變黃；丙烯酸樹(shù)脂，有良好的耐侯性、疏水性、成膜性，且附著(zhù)力好，但形成的膜非常脆，耐堿性、耐候性差。有機材料，如有機硅樹(shù)脂，有良好的滲透性、憎水性、耐候性、呼吸透氣性，但附著(zhù)力較差，固化溫度高，固化時(shí)間長(cháng)，保護膜易破裂；有機氟聚合物，有優(yōu)良的防水、抗氧性能，耐紫外線(xiàn)、耐酸堿、耐粘污，具有超耐候性，但附著(zhù)力和耐低溫性、透氣性差，且價(jià)格昂貴。
近年來(lái)，隨著(zhù)社會(huì )對石質(zhì)文物的重視，不少機構也研制出了一些用于石質(zhì)文物保護的復合材料和新型材料。洪坤等［２７］認為仿生無(wú)機材料因為具有良好的耐磨性、疏水透氣性、環(huán)境友好性等特點(diǎn)，在石質(zhì)文物保護方面具有較好的研究?jì)r(jià)值與應用價(jià)值。劉玉榮等［２８］介紹了介孔材料具有較高的比表面積和規則的孔結構，且介孔涂層材料應用于石質(zhì)文物保護具有良好的透水性和疏水性，較強的抵抗酸雨的能力及無(wú)裂縫等優(yōu)點(diǎn)，但是，在目前的應用過(guò)程中還存在著(zhù)介孔涂層的有序度不是很高、孔徑分布范圍較寬等缺點(diǎn)。范敏等［２９］認為有機硅具有較好的黏結性、疏水透氣性，優(yōu)良的耐候性、保光性等特點(diǎn)，對石質(zhì)文物的加固和抗風(fēng)化都能起到較好的作用，但是，受巖石濕氣的影響，有機硅易產(chǎn)生輕微變色，其抗老化性能需進(jìn)一步改善。王麗琴等［３０］研制了一種納米ＴｉＯ２改性石質(zhì)文物防水材料，通過(guò)在重慶大足石刻上的試驗，證明該種材料耐鹽性、透氣性及耐光性等比改性前有顯著(zhù)改善，并且可以長(cháng)期保持它良好的憎水性。
4、石質(zhì)文物監測技術(shù)
石質(zhì)文物的監測主要用于了解現存石質(zhì)文物的保存狀況，石質(zhì)文物本體材料風(fēng)化速度，以及風(fēng)化到何種程度需要預警。同時(shí)，監測石質(zhì)文物的各項理化數據，對其未來(lái)病害發(fā)展狀況進(jìn)行預測預警，并在監測過(guò)程中采取措施及時(shí)干預以減少不利因素對石質(zhì)文物的破壞，對石質(zhì)文物實(shí)施動(dòng)態(tài)保護，從而大大降低破壞后修復的風(fēng)險和成本。此外，對石質(zhì)文物定期進(jìn)行各項指標的監測也可以對某些材料和技術(shù)的修復效果進(jìn)行跟蹤檢驗，以總結經(jīng)驗，為后續石質(zhì)文物修復或其他石質(zhì)文物的修復提供技術(shù)支撐。
目前，對石質(zhì)文物的監測主要側重于對石質(zhì)文物力學(xué)性能監測、本體材料監測和環(huán)境監測等方面。如呂恒柱［３１］通過(guò)建立蘇州虎丘古塔監測數據庫及古塔變形的數學(xué)模型，根據數據處理結果輸出古塔沉降觀(guān)測曲線(xiàn)、形變趨勢預測圖、超警戒線(xiàn)異常點(diǎn)等數據圖表，科學(xué)直觀(guān)地對虎丘古塔進(jìn)行監測預警。周偉等［３２］對頤和園佛香閣進(jìn)行激光掃描，然后進(jìn)行整體點(diǎn)云數據的拼接，并對通天柱用橢圓方程進(jìn)行擬合，進(jìn)而對其傾斜偏移等各項指標進(jìn)行監測，為古建筑精細化保護奠定了基礎。葛琴雅等［３３］采用一種優(yōu)化后的ＡＴＰ生物發(fā)光法，在文物的現場(chǎng)和實(shí)驗室內進(jìn)行抑制菌效力測試；同時(shí)，該方法還可以監測藥劑在文物上的殘留情況，進(jìn)而為石質(zhì)文物微生物病害的科學(xué)治理提供依據。孟誠磊［３４］利用表面粗糙度儀、紅外熱成像儀等一系列先進(jìn)設備對靈隱寺雙經(jīng)幢進(jìn)行了表面風(fēng)化和水遷移活動(dòng)的監測，得出該雙經(jīng)幢風(fēng)化和微生物污染嚴重的結論，進(jìn)而建議進(jìn)行清理修復；對麗水市延慶寺塔進(jìn)行砂漿強度監測，得出砂漿強度和塔身傾斜具有相關(guān)性的結論；還對龍德寺塔修補前后砂漿強度和成分進(jìn)行監測，進(jìn)而證明其修補材料的合理有效性。方云等［３５］采用位移傳感器及三芯應變片、小型氣象站、ＭｉｎｉＴｒａｓｅ等設備，采集位移、力學(xué)、溫濕度、土體濕陷性等數據，對唐順陵天祿石雕進(jìn)行了變形監測，并通過(guò)對比分析不同因素與石雕形變的相關(guān)性來(lái)判斷天祿石雕裂隙的變形方式，確定影響石雕穩定性的最不利因素，從而為搶救保護該石質(zhì)文物提供了科學(xué)依據。崔亞平［３６］通過(guò)設置相應的傳感器采集溫濕度、太陽(yáng)輻射強度、紫外線(xiàn)強度數據，對廣州南越王墓進(jìn)行了長(cháng)達３年的環(huán)境監測，通過(guò)分析得知，與潮濕相比，濕差對于墓室巖石造成的危害更大，溫差、紫外線(xiàn)、照度也對石質(zhì)墓室風(fēng)化起一定作用，進(jìn)而提出通風(fēng)、除濕、空調等控制手段綜合配合來(lái)維持氣候狀況的穩定性，同時(shí)，對光棚進(jìn)行針對性的改造來(lái)減少光照、紫外線(xiàn)對墓室的破壞；但是，監測過(guò)程中也存在不能實(shí)時(shí)獲取數據、監測指標較少、缺少與監測相匹配的數據系統等問(wèn)題。
5、現代科學(xué)信息技術(shù)在石質(zhì)文物保護中的應用
隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)等逐漸與石質(zhì)文物保護緊密結合起來(lái)，這些信息技術(shù)的產(chǎn)生和運用為石質(zhì)古建筑和石質(zhì)文物的科技保護起到了積極的推動(dòng)作用，有利于石質(zhì)文物的數字化保護，以及延長(cháng)石質(zhì)文物的壽命。
近年來(lái)，有不少專(zhuān)家學(xué)者將現代科學(xué)信息技術(shù)用于石質(zhì)文物的搶救性保護，取得了顯著(zhù)成效。如李樹(shù)坤等［３７］對石質(zhì)文物三維掃描的方法和原理進(jìn)行了介紹，并結合具體工程提出了三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物精確三維量算、虛擬修復、變化檢測等方面的應用。何勇［３８］介紹了在云岡石窟的保護工程中，運用ＧＩＳ、計算機網(wǎng)絡(luò )、三維掃描等技術(shù)對石質(zhì)文物本體進(jìn)行永久化的數字保護。陶濤［３９］設計并實(shí)現了重慶大足石刻千手觀(guān)音造像三維展示系統，隨后實(shí)現了多點(diǎn)觸控等常用的幾種三維模型的交互技術(shù)。馬文武等［４０］通過(guò)對某工程土建施工中發(fā)現的石碑高光譜數據進(jìn)行基于閾值的最小噪聲分離變換，提取了原始影像中模糊不可見(jiàn)人偶圖像，并對其顏料成分進(jìn)行了分析，該實(shí)驗結果為后期石碑的修復和研究提供了依據。葛懷東等［４１］引入自適應三維重建系統與三維全景空間測量技術(shù)，構建南朝陵墓石刻數字化保護方案，為以后石質(zhì)文物的保護與研究提供了依據。此外，意大利佛羅倫薩大學(xué)的ＰｉｅｒｏＢａｇｌｉｏｎｉ等［４２］提出了構建一個(gè)關(guān)于文物保護的多媒體數字圖書(shū)館的設想，可以將所保護文物的各種信息，特別是對其修復保護的各種圖片、錄像等資料實(shí)時(shí)錄入到該數字平臺，為文物的后續保護提供可靠依據。
