平遙古城墻毛細水上升控制方法探索性研究

□ 王立志 黃繼忠 任建光 梁喜平

平遙古城墻毛細水上升控制方法探索性研究

□ 王立志 黃繼忠 任建光 梁喜平

古建筑墻體毛細水上升受古建筑墻體的水分進入量、蒸發率以及古建筑材料的微觀結構特性三方面的影響。在分析毛細水上升影響因素的基礎上，探索性地提出了毛細水上升控制的三大原則，對毛細水上升控制方法的種類進行劃分。根據平遙古城墻的具體情況對各種毛細水控制方法進行全面的分析，按照對古城墻原貌的破壞程度、控制效果、實施難易程度、成本費用的優先順序綜合對比確定毛細水控制方法在平遙古城墻防風化保護中的可行性順序如下：修復石膏法、古城墻表面加熱方法、古城墻墻基底部通風方法、化學阻隔方法、古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法。橫截古城墻墻體嵌入不透水阻隔層的方法、古城墻墻體建造拱形斷面的方法以及大氣虹吸管的使用在平遙古城墻防風化保護中并不可行。

平遙古城墻，毛細水上升控制方法，可行性分析

一、古建筑墻體毛細水上升控制方法選擇的理論原則

（一）古建筑墻體毛細水上升影響因素

平遙古磚墻屬于典型的多孔古建筑材料，多孔古建筑材料水分的吸收和運移是一個復雜的多相位現象，而且受到多種不同驅動力作用的影響[1]。

受孔隙曲率和磚墻表面水汽蒸發的影響，毛細水最大上升高度在實際的磚石建筑中要比理想毛細管低很多，毛細水最大上升高度就是所謂的“均衡線”，可以在視覺上將潮濕區域與干燥區域較為清晰地分離開來。盡管在磚石建筑中存在著幾乎穩定的“均衡線”，穩態的毛細水上升過程是存在的。毛細水最大上升高度取決于進入古建筑墻體的水分含量、蒸發率以及古建筑材料的微觀結構特點（孔隙的大小和數量、孔隙間的非連通性等）[2]。毛細水最大上升高度實際上就是毛細水上升引發的水分吸收和蒸發造成的水分損失之間達到“動態”均衡時的狀態。地下水位埋深（影響水分吸收）與局部地區小氣候和空氣的流通（影響蒸發率）可能隨著季節變化而波動，從而引發毛細水上升高度的季節性波動[3]。經過對一些古建筑墻體的現場觀測發現，毛細水上升高度通常為0.5~1.5米[4]，有的可達4米甚至更高[5]。實際上毛細水上升高度取決于墻體的厚度和蒸發環境。在羅馬圣貝爾納多教堂中，墻體的厚度為4米，上升潮氣可達5.3米[6]。而在威尼斯圣馬可教堂前廳，墻體厚度為0.7~2米，并且在表面有大理石板，毛細水上升高度可達6米，會對拱頂處鑲金藝術作品產生一定威脅[7]。

（二）古建筑墻體毛細水上升控制原則和策略

由于古建筑墻體毛細水上升受古建筑墻體的水分進入量、蒸發率以及古建筑材料的微觀結構特性三方面的影響。古建筑墻體毛細水上升的控制應遵循如下三大原則：

1.盡可能減少墻體水分進入量

2.盡可能增大水分蒸發率

3.改變古建筑墻體結構及材料特性來降低墻體的整體吸水能力。

根據以上原則，有一些策略可以被應用于控制毛細水上升，如通過修建地下的排水系統來減少進入墻體水分，通過墻基通風、墻體表面加熱等策略來增大水分蒸發率，通過減小古建筑材料的多孔性、吸濕性和墻體的橫斷面等策略來降低墻體的整體吸水能力。

二、毛細水上升控制方法在平遙古城墻保護中的應用分析

對毛細水上升控制方法的種類進行合理和準確的劃分，并對各類方法的特征和優缺點進行清晰地分析是至關重要的，可以為古建筑墻體文物保護工作的開展及研究方向的確定提供科學的理論依據。國際上已經有多種古建筑墻體毛細水上升的控制方法被嘗試和研究，但是每種方法的原理和特點各不相同，所以在進行平遙古城墻防風化保護研究時，要根據平遙古城墻的具體情況對各種毛細水控制方法進行全面的分析。

1.基于減少古建筑墻體水分進入量的方法

在古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法是基于減少古城墻水分進入量的原則，通過阻止鄰近土壤的水分接近古城墻墻基來減少水分進入量，同時空的排水渠還可以在一定程度上增加古城墻墻體水分的蒸發。從實施難易程度上看，不論是夯土城墻內側“內馬道”及磚石城墻外側地面均可以進行翻修重建，通過翻修重建基本可以實現地下排水渠的修建。從成本費用來看，該方法在修建過程中土建施工的成本費用不低。修建好之后在地表位置安裝檢修柵網可以保證該系統的穩定性。該方法僅僅對城墻內側“內馬道”和外側地面進行改造，對于古城墻本身文物的原貌不會產生太大破壞，但是地震發生時地下排水渠可能會使古城墻墻基自身的結構動力特征發生一定改變。該方法對于古城墻毛細水上升的控制效果還需要系統性試驗數據的分析。。

2.基于增加古建筑墻體水分蒸發原則的方法

（1）古城墻墻基底部通風的方法

在古城墻墻基底部安裝通風系統，可以增加墻基處的水分蒸發從而減少毛細水從城墻墻體的上升，國外有些專家對安裝通風系統這一新的控制毛細水的方法進行了相關研究。從實施難易程度上看，該方法是將城墻兩側地面翻修時在地表以下安裝通風系統，在平遙古城墻處完全可以實現。從成本費用來看，安裝通風系統除需要土建施工費用外，還需要相關通風設備的費用，因此成本也不低。該系統的穩定性需要進一步研究而改善，通風設備表面發生的鹽結晶可能導致系統的損壞。該方法也是對城墻兩側地面及墻基進行翻修改造，改變了墻基自身的結構特征，可能在地震發生時影響其墻基的穩定，但是對于古城墻本體的原貌不會產生太大破壞。根據國外專家實驗研究的結果分析，該方法對于古城墻毛細水上升的控制會有較好效果，具有很好的研究前景。

（2）修復石膏的使用

在平遙古城墻使用修復石膏劑，在通過增加古城墻表面的蒸發率來降低毛細水上升高度的同時，可以緩解可溶鹽結晶所引起的城墻風化破壞。該方法比較容易實施，成本也不是很高，基本對古城墻本身原貌沒有破壞，對毛細水上升控制及可溶鹽結晶破壞的緩解均有一定效果。

（3）古城墻表面加熱的方法

通過對古城墻墻體表面加熱增加水分蒸發率來對毛細水上升進行控制是比較有效而且容易實施的，長期加熱的用電量有一定成本，對古城墻本身的原貌基本沒有破壞，但是由于古城墻所處環境氣溫和濕度存在季節性變化及日變化，該方法的效果隨著加熱溫度及加熱時間的不同而不同，為了選擇合適的加熱溫度和加熱時間，需要通過大量現場實驗研究分析不同環境氣溫和濕度下古城墻墻體表面加熱方法的有效性。

（4）大氣虹吸管的使用

在平遙古城墻使用大氣虹吸管的具體方法是先在古城墻墻體鉆好傾斜的孔洞，后將燒制的陶土管、穿孔的塑料管或金屬導管插入，并用多孔水泥漿密封，實施過程并不難，成本也不是很高。由于要在古城墻墻體鉆孔，該方法對于古城墻的原貌有一定的破壞。一定情況下，由于鹽分的結晶作用大氣虹吸管也會損壞，影響了該方法的穩定性。許多研究表明該方法對于控制毛細水上升缺乏有效性，甚至在缺乏直接的太陽輻射或古城墻周圍空氣相對濕氣（向墻體供給水分）較高的情況下，該方法某種程度上可能導致墻體變得更為潮濕。

3.基于降低古建筑墻體吸水能力原則的方法

（1）古城墻墻體建造拱形斷面

在古城墻墻體中將墻基底部修筑成拱形斷面是通過減少墻基底部的橫斷面積來降低古城墻墻體吸水性能，從而控制毛細水大上升。該方法需要對古城墻墻體進行較大的改動翻修，技術非常復雜，而且需要較高的費用。該方法會大規模破壞古城墻的原貌。另外這種手段會將機械壓力集中在古城墻的有限部位，很可能威脅到古城墻的安全性和穩定性，特別是地震發生時更為危險。因此，從等各方面考慮該方法都不適合在平遙古城墻防風化保護工作中使用。

（2）橫截古城墻墻體嵌入不透水阻隔層的方法

該方法通過橫截古城墻墻體嵌入不透水的阻隔層來控制毛細水的上升。該方法技術相當復雜，需要利用線切割等方法將古城墻墻體截斷，然后嵌入鋼板、鉛板、瀝青膜、聚乙烯膜、聚酯膜或聚氯乙烯膜等不透水阻隔層，同時平遙古城墻墻體也比較厚，因此實施難度較大，費用高昂。這項方法可能使古城墻墻體的剪切強度下降，而變形能力和能量損耗增加。在地震發生時不透水阻隔層可能成為滑動平面，增加了古城墻自身結構的地震易損性。在完整的古城墻中嵌入不透水阻隔層可能會造成較差的黏附性和灰漿不能完全填充空隙，造成古城墻結構較大變化。這種方法較大規模改變了古城墻的原貌，在平遙古城墻防風化保護中并不可取，在已經發生大范圍崩塌需要整體重修時可以考慮使用不透水阻隔層控制毛細水上升的方法。該方法的控制效果需要根據實際現場試驗來分析判斷

（3）化學阻隔方法

化學阻隔的方法是在古城墻墻體的基地部位鉆孔，然后在低壓條件下或者在液壓下注入氣孔阻塞物或者疏水材料。該方法實施比較容易，費用較低，對古城墻建筑結構穩定性不良影響有限，相較于橫截古建筑墻體嵌入不透水阻隔層的方法，該方法更具有實用性。由于需要在古城墻的基地部位鉆孔該方法對于古城墻原貌有一定的改變?；瘜W阻隔方法的有效性取決于很多因素，例如水的飽和度、灰漿和磚的接觸面、古城墻材料的特征和多樣性、PH值、墻體中存在的裂縫和注入孔的位置、注入壓力和持續時間等等。在真實的墻體中，大部分因素都難以控制，因此這些技術方法的有效性極難預測，而且許多問題仍然存在。在原位情況下對于真實的古城墻墻體難以控制注入化學防水劑的滲入深度，另外，該技術方法實施后具有不可逆性。化學阻隔方法的長期效果需要通過對古城墻進行長期的數據監測來進一步研究。

三、平遙古城墻毛細水控制方法的可行性討論

在對不同毛細水控制方法的特點分別進行詳細分析的基礎上，按照對古城墻原貌的破壞程度、控制效果、實施難易程度、成本費用的優先順序綜合對比確定在平遙古城墻防風化保護上的可行性。

遵照“不改變文物原狀，修舊如舊”的原則，將對古城墻原貌的破壞程度作為首要考慮的要素，分為四個層次。第一層次，對古城墻原貌破壞程度最重的是橫截古城墻墻體嵌入不透水阻隔層的方法和古城墻墻體建造拱形斷面的方法，這兩種方法都較大規模破壞了古城墻原貌；第二層次，對古城墻本體原貌有一定破壞，大氣虹吸管的使用和化學阻隔的方法都需要在古城墻墻體進行鉆孔，一定程度上破壞了古城墻原貌；第三層次，是在古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法以及古城墻墻基底部通風的方法，這兩種方法對古城墻本體沒有破壞，但可能改變古城墻墻基結構特點降低其穩定性和安全性；第四層次，基本對古城墻原貌沒有破壞的是修復石膏法以及古城墻表面加熱的方法。根據比較分析，對古城墻原貌破壞程度較重的兩種方法目前暫可不考慮進行試驗研究和應用。

對于不同毛細水控制方法的效果進行分析比較可知，缺乏有效性的是大氣虹吸管的使用；效果較難預測的是在古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法以及化學阻隔的方法；有一定效果的是古城墻墻基底部通風的方法、修復石膏法和古城墻表面加熱的方法。根據分析可以將大氣虹吸管的使用排除在選擇范圍之外。

對于不同毛細水控制方法的實施難易程度和成本費用進行對比分析可知，古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法和古城墻墻基底部通風的方法實施的技術難度較大，費用較高；容易實施且成本費用不高的是修復石膏法、古城墻表面加熱的方法以及化學阻隔的方法。

綜合各方面分析，毛細水控制方法在平遙古城墻防風化保護中的可行性可以按照如下順序排序：修復石膏法、古城墻表面加熱方法、古城墻墻基底部通風方法、化學阻隔方法、古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法。

四、結論及建議

毛細水上升控制方法的可行性分析不僅可以使平遙古城墻防風化保護工作有的放矢、有據可依，還為今后毛細水上升在古城墻風化的作用研究指明了方向。毛細水控制方法在平遙古城墻防風化保護中的可行性順序如下：修復石膏法、古城墻表面加熱方法、古城墻墻基底部通風方法、化學阻隔方法、古城墻墻體旁修建地下排水渠的方法。橫截古城墻墻體嵌入不透水阻隔層的方法、古城墻墻體建造拱形斷面的方法以及大氣虹吸管的使用在平遙古城墻防風化保護中并不可行。在今后平遙古城墻防風化保護實際應用和研究中根據實際情況進行選擇。另外值得相關研究學者重視的是，毛細水上升控制方法的長期效果可以通過毛細水運移模擬進行定量預測和比較，同時也需要長期現場原位監測的數據來分析研究。

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（作者工作單位：王立志，中國地質大學水環學院；黃繼忠，山西省文物局；任建光，云岡石窟研究院；梁喜平，平遙古城墻管理處）