甘肃糟朽木器安全状况评估技术研究

陈庚龄,容 波,李 强

(1. 甘肃省博物馆,甘肃兰州 730050; 2. 秦始皇帝陵博物院,陕西西安 710600; 3. 中科院上海硅酸盐研究所,上海 200050)

0 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。20世纪50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50%)。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[1]。

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。

1 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。

2 样品及研究方法

2.1 样品

本研究工作所涉及的10个样品中,有9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1个普通木材样品的实验测定值引用自文献[2-3],实验样品信息见表1。

表1 糟朽木器样品信息及实验分析结果Table 1 Sample information and experimental analysis results of rotten wooden artifacts

2.2 研究方法

2.2.1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OLYMPUS BX-51型偏光显微镜,参考依据为GB/T 16734—1997《中国主要木材名称》[4]。

2.2.2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(Hitachi)FlexSEM 1000型扫描电镜,分析条件:电压为5.0 kV,放大1 000倍,工作距离为5.8 mm。

2.2.3X-射线衍射谱图分析 使用X-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DMAX-IIIC型X-射线衍射仪,测定条件:加速电压45 kV,管流50 mA,扫描范围为10°～40°,8°/min。

2.2.4容重值的测定 研究工作采用常规物理方法,对糟朽木器样品的容重值进行了测定,称量使用国产正峰ZF-C20001电子天平,最大量程2 kg,精度为0.01;测量使用得力(deli)DL92150机械式游标卡尺,量程0～150 mm,误差≤±0.08 mm。

2.2.5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testo 606型木材水分检测仪,测量范围:8.8%～54.8%,适用树种:云杉、落叶松、桦木等,测量精度:±1%,分辨率:0.1,测量速率:1 s。

3 糟朽木器材质鉴定及属性分析

3.1 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。2021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1。表1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1。图1a横切面,生长轮明显,轮间晚材带色深,早晚材急变;图1b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1c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。

图1 糟朽木器材质显微构造Fig.1 Microstructures of a rotten wooden artifact fragment unearthed in Wuwei, Gansu

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2。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2 电镜形貌观察结果Fig.2 SEM images of the rotten wooden artifact fragment

3.2 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。

3.3 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。

3.4 含水适当性

木材含水率与其保存环境的平衡含水率(EMC)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15.1%,北京地区却为11.4%;含水率干燥到11%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[5]。

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。

4 衡量及表征材质形态、结构变化的物理参数

4.1 衡量指标

4.1.1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10.5%[5]。

4.1.2纤维饱和点 器物胎木含水率达到纤维饱和点(30%)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。

4.1.3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,5月出现最低值为8.9%,而12月出现最高值为14.3%[7]。

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9.3%～14.3%,安全波动幅度为±5%。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。

4.2 表征参数

4.2.1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(g/cm3)来测定的,如全干材容重值(R)计算公式为:R=W0/V0,其中W0、V0分别表示全干材时的质量、体积[2]。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1。

4.2.2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[8]。目前利用X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X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segal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[9-10]。计算公式为:结晶度(Xc)=(I002-Iam)/I002×100%,其中:I002为试样2θ为22.0°时的晶面衍射强度,Iam为试样2θ为18°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1。其中,武威磨咀子汉墓出土木马(马身)X射线衍射分析谱图见图3。从表1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70%左右,而糟朽木器纤维结晶度均值约为50%,表明糟朽木器纤维结晶度均明显降低。

图3 武威磨咀子出土彩绘木马(马身)胎木 X射线衍射分析谱图Fig.3 XRD pattern of the wooden core of the painted horse body unearthed at Mozuizi, Wuwei

4.2.3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18%以下时,木腐菌就无法生存繁殖[7,11]。

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[12]。因此,通过X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[13]。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1。从表1纤维降解度的分析结果看,糟朽木器纤维降解度均在40%以上,而棺板木因材质原因降解度在20%左右,表明糟朽木器纤维素均已发生了严重降解。

5 评估技术与方法

5.1 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WW/T 0003—2007《馆藏出土竹木漆器类文物病害分类与图示》[14]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[15]。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。

5.2 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4所示。

图4 糟朽木器安全评估技术构架Fig.4 Technical framework of safety assessment of rotten wooden artifacts

5.3 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:

1) 安全区。界定标准:胎木含水率的测定值处于9.3%～14.3%的安全范围及±5%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。

2) 危险区。界定标准:胎木含水率的测定值超出9.3%～14.3%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9.3%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14.3%(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。

3) 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85%时,由于纤维素几乎完全发生降解,此时纤维结晶度为0,纤维降解度接近100%[2]。

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。

5.4 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。

6 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:

1) 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;

2) 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;

3) 确定胎木含水率的安全变化范围为9.3%～14.3%,安全波动幅度为±5%,由此制定了糟朽木器安全评估的相关界定标准;

4) 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。