大氣污染對20 世紀建筑遺產石材的影響及預防性保護措施探究

文／屈靜 北京工業大學城市建設學部 碩士研究生

引言

20 世紀建筑遺產是離我們最近的歷史建筑，其形式多樣、技術先進、文化內涵豐富，20 世紀建筑遺產的存續對我們意義重大，因此，對此類建筑的保護勢在必行。在20 世紀建筑遺產中石材的使用較多，且處于建筑的顯著位置，所以石材的劣化會對建筑的安全性、結構以及外觀產生不可估量的損害，需要引起重視。文章所指石材包括石材圍護結構、石材墻腳構造、石材裝飾及石構件等。建筑遺產石材出現劣化，這不僅是自然風化和老化的結果，也是不斷發展的工業以及社會和經濟生活演變的結果，空氣質量下降使得建筑遺產遭受到大氣污染物的侵蝕與破壞。雖然近年來我國的空氣質量有所改善，但是也無法將污染效應降至為零，因此，大氣污染物對20 世紀建筑遺產石材的侵蝕作用也不容小覷。

隨著保護理念和技術的發展，建筑遺產保護工作者開始從預防性保護角度開展了一些建筑遺產研究與實踐工作。文章將從預防性保護角度總結石材病害類型，深入分析大氣污染對石材造成的不利影響，從而探索預防性保護措施，以期避免大氣污染物對石材造成持續破壞。

1 我國大氣污染對石材影響的研究現狀

國內早在20 世紀末，就有學者開始關注環境污染問題，王明康等[1]就環境污染對石質文物的影響進行了探討，研究表明，大氣污染是石質文物病害產生的重要因素。邊歸國等[2]提出對石質文物造成風化腐蝕的主要有二氧化硫、二氧化碳、二氧化氮、臭氧等大氣污染物，蔡素德[3]、陳衛昌等[4]還主要探討了酸雨對石質文物的影響。后來隨著國內工業化的發展，空氣質量不斷惡化使得大氣污染物對石材的破壞加劇，加之保護理念向“預防性保護”傾斜，周文靜等[5]探討了大氣污染對石質文物的破壞機理及防護措施，范子龍等[6]以預防性保護理念為指導，探討了對石質文物保存環境的監測。關于建筑遺產石材保護方面的研究也取得了一定成果，主要集中在保護材料及清洗技術方面[7]，以及對石材病害機理的研究[8]。

雖然關于大氣污染及石材保護的研究成果較多，但對石材預防性保護方面的研究相對較少，對于石材病害機理的研究也多是站在修復角度。目前對建筑遺產的保護表現出重單體、輕環境的現象。然而，要做到預防性保護，就需要對特定環境中的石材病害進行分析，否則，便無法對可能產生的病害進行預判。在注重建筑遺產本體的同時，也應該重視建筑遺產所處環境，因此有必要了解大氣環境對石材造成的影響，以便采取相應的預防措施，抑制病害的發生。

2 20 世紀建筑遺產石材病害分析

2.1 病害類型

石材的病害由諸多因素引起，因此病害的表現形式也是多樣的（表1）。20 世紀建筑遺產石材主要的病害類型如下：

表1 20 世紀建筑遺產石材病害跡象（表格來源：作者自繪自攝）

裂縫：石材出現開裂及隆起現象。

溶蝕：酸霧或酸雨等與石材發生反應生成硫酸鈣，雨水將硫酸鈣等溶解沖掉，出現溶蝕現象。

酥堿：表現為石材表面不同類型的泛堿現象，有白色粉末狀物質析出。

剝落：石材表層出現粉化、起翹與片狀剝落等現象。

結殼：外界物質沉積在石材表面形成殼層的現象。

風化：主要是可溶性鹽造成的石材內外各種破損。

微生物附著：石材表面由于藻類或菌類附著導致石材顏色發生變化。

斑痕變色：在石材表面出現異于石材本色的顏色及斑痕等，包括水斑水漬、銹黃斑等。

在上述石材的主要病害類型中，溶蝕、酥堿、結殼、微生物附著等病害都與大氣污染息息相關。

2.2 影響因素

石材本身具有復雜的化學成分，加之大氣污染中的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）及大氣顆粒物等因素都會與石材成分發生反應，從而破壞石材。二氧化硫、二氧化氮會加速石材溶蝕；臭氧具有氧化能力，通過與其他有害氣體的相互作用，對石材產生腐蝕與破壞；大氣顆粒物吸附有害氣體，也會對石材造成腐蝕。上述影響因素會使建筑石材表面失光、褪色、出現斑痕，甚至導致石材的硬度降低和表面風化剝落。

2.3 作用機理

大氣污染物對石材的破壞不僅是單一因素的腐蝕，更多情況下是多種大氣污染物的耦合作用。因此，將大氣污染對石材的劣化機理歸納為物理、化學、生物三種作用機理。

大氣污染對石材最常見的物理破壞是通過強降雨或強風輸送空氣中的顆粒物對石材表面造成磨損；其次，還包括顆粒物在石材表面的沉積，甚至造成黑色結殼。在20 世紀建筑遺產中許多外立面石材均有此類問題發生，不僅對石材造成了破壞，還有礙觀瞻。

大氣污染對石材的影響除了大氣顆粒物造成的物理磨損外，化學反應可能是大氣污染對石材劣化的主要推進劑。大氣中的酸性氣體會形成酸雨和酸霧，對石材產生腐蝕損傷，使石材疏松，對石材的牢固性產生威脅；大氣中的顆粒物會形成霧霾，霧霾對20 世紀建筑遺產石材劣化影響頗深，不僅會使石材出現崩裂，還會使石材的化學成分發生變化，甚至生成新的礦物質，這些都會加速石材的劣化。

石材的生物類病害也與大氣污染物相關，塵埃是細菌、霉菌的良好載體，空氣中的塵埃降落在石材表面上，加之潮濕的環境，可以促進微生物繁殖，導致地衣、藻類、藍藻和真菌等特殊生物體的發展。這些生物體形成復雜的微生物基質，通過胞外聚合物緊密地附著在石材表面，引發石材斑痕色變、石材風化等病害。

3 大氣污染物侵蝕石材的預防性保護措施

針對大氣污染對石材的破壞因素及作用機理，將預防性保護措施分為規避誘因、監測維護和防止擴散三個層面：第一層面的預防指避免大氣污染物入侵的方法和措施；第二層面的預防指通過監測大氣環境及建筑本體，使管理者能夠及早察覺不良影響的發生；第三層面的預防指為避免大氣污染使得石材病害進一步擴散或產生新的病害而采取的方法和措施。通過以上三步策略，實現石材的預防性保護。

3.1 規避誘因

定期清理石材表面污染物，預防病害發生。大氣顆粒物容易在石材表面沉積，加強對石材的定期清理是最便捷有效和可行的預防措施。對建筑遺產石材進行定期清掃，可以預防空氣污染物和灰塵的堆積引發石材變色、結殼等病害現象，且輕度的灰塵、污染物等都可以從石材表面去除，可借助毛刷等工具清理輕度沉積的污染物質，但應注意避免劃痕或損傷石材表面。目前周期性清理可能是保護石材免受大氣污染侵蝕最常用的方法。

選擇適當的防護劑進行預防保護。20 世紀建筑遺產石材受大氣污染的影響，最根本的措施是控制大氣污染，但是不可能使環境污染立刻得到控制，因此，可以選擇適當的防護劑涂在石材表面，就如同為其穿上一層特殊的外衣，可以抵御大氣污染物及周圍環境對其造成污染。建筑遺產石材的防護劑包括天然石蠟、非滲透性涂料、滲透性有機硅類、有機聚合物、納米無機材料等，不同的防護材料有其各自的優缺點，所以必須根據石材類型、石材的結構及保護要求選擇防護劑。

3.2 監測維護

進行大氣環境監測。預防石材病害發生的一項重要工作是需要對大氣環境進行監測。大氣環境監測可以通過采集終端設備實現大氣數據信息的采集，再對這些所采集到的數據信息進行分析和處理，可利用信息技術手段把監測到的實時數據同時發布到風險操作平臺，了解建筑遺產當前的風險動態；此外，可利用數字模擬技術對將來的環境狀態進行預測，從而預判建筑遺產石材可能出現的風險，主動采取措施進行預防保護。

進行日常檢查維護。加強日常檢查、維護是防止病害積累誘發重大損壞的預防性保護工作。通過日常檢查手段及早發現大氣污染物的沉積及腐蝕等引發的早期癥狀，以便及時干預，預防病害發生。相對于病害發生后的清理工作，日常的檢查維護更為重要，不能掉以輕心。需要日常檢查維護的不光是建筑本體，還有周圍的環境。

3.3 防止擴散

清洗有害物質。建筑遺產石材表面存在污染物沉積、結殼、微生物附著等與大氣污染相關的病害。為防止此類病害的擴散或者產生次生病害，需要對其進行清洗。污染物性質有所區別，因此清理污染物的方法也有所不同，大致分為物理清洗和化學清洗。目前較為成熟且常用的清洗技術有水清洗法、化學溶劑清洗法、噴砂清洗法以及新興清洗法，新興清洗法包括激光清洗、超聲波清洗、干冰清洗等[9]。每一種清洗方法都有其自身適用性，要根據實際情況進行選擇和應用，不可“一刀切”，同時也要避免過度清洗。

加固受損石材。針對風化比較嚴重的建筑遺產石材，可采用加固的方式來恢復其結構的連續性。目前加固方法包括噴涂法、貼敷法、灌裝法等，加固材料分為無機加固材料和有機加固材料[10]。為了不破壞石材原貌，應選擇無色透明且不會與石材發生化學反應的加固劑，加固石材、填補空隙，以此避免大氣污染物繼續向石材表面之下滲透。

4 案例研究：北京正金銀行舊址石材的預防性保護

4.1 正金銀行舊址概況

東郊民巷正金銀行舊址建于1910 年，是由日本建筑師妻木賴黃設計建造的（圖1），位置處于正義路與東郊民巷交叉口的東北角（圖2）。2001 年正金銀行舊址被列為全國重點文物保護單位，現為中國法院博物館。銀行主體建筑平面呈曲尺形，西立面較長，南立面較短。正金銀行舊址是磚石結構，地上二層，地下一層，轉角處是三層弧形塔樓，外立面由紅磚與石材交替砌筑，立面設計為三段式。由于正金銀行舊址在臺基、壁柱、壁龕、窗套、挑檐、腰線等位置大量運用石材，所以以此為例探討石材預防性保護措施的應用。

4.2 正金銀行舊址病害現狀

北京市大氣污染物總量較大，長期屬于空氣污染相對嚴重的地區。北京市主要大氣污染物包括：細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）四類，然而，這些都是對石材造成影響的主要污染物。同時，北京地區春季冷暖空氣活動頻繁，易發生沙塵暴，對石材造成了一定影響。此外，正金銀行舊址處于城市道路的交叉口，南立面及西立面無院墻遮擋，完全暴露在外，頻繁來往的車輛會使得顆粒物的濃度增加。由此可見，銀行外立面石材的病害大多與大氣污染物有關。

正金銀行舊址石材的病害主要表現為其立面的石材破損、表面變色、石材泛堿、剝落、溶蝕、污染物沉積、結殼等（圖3），其中許多部位出現黑色斑痕，且斑痕面積較大，而大氣污染可能是導致石材表面變黑的主要因素。正金銀行大樓的病害主要分布在以下幾個部位：墻腳位置、臺階、墻體轉折處、壁龕及窗套、檐口等凹凸明顯的位置，這些部位容易導致污染物的積聚，從而產生病害。

4.3 石材預防性保護措施的運用

通過上述對正金銀行的概況及病害情況的分析，結合文中第4 小節的預防性保護措施，可以對其采取相應的保護措施。

4.3.1 清理及清洗污染物

對于石材表面的輕度污染物，應定期進行清理，避免長時間積聚對石材造成腐蝕或結殼等。對于石材上的頑固結殼、泛堿、黑色斑痕等病害，需要對其進行清洗，預防病害的擴散。首先可用目測法判斷正金銀行的石材的污染程度；其次根據石材特性和其污染程度，調配不同清洗劑選擇隱蔽部位進行小面積清洗實驗，根據實驗結果選擇最合適的試劑，必須既能清理污染物，又能不傷害石材；最后選擇合適的清洗方法，確定清洗方案[11]，清洗過程中要保護好不需要清洗的部位，隨時清理清洗劑殘液。

4.3.2 對石材進行養護

對于石材的養護也并非越多越好，首先要判斷哪些石材需要養護，可通過綜合判斷或簡單的實驗測定來確定需要養護的石材。其次要慎重選擇養護劑，即便是具有普適性的養護劑，在不同石材上的使用方法也會有所不同，需要因材制宜[9]。在養護工作開展之前，也應像清洗一樣首先在影響較小的部位進行實驗，待養護結果得到相關專家的認可后，再全面開展養護工作。

4.3.3 建立監測與日常維護機制

由于正金銀行處于道路交叉位置，且無院墻遮擋保護，對其環境的監測尤為重要，通過監測預判可能產生的病害，提前采取預防措施；同時要對石材進行日常維護與檢查，發現病害苗頭及時進行預防控制，清掃周邊污物，防止其沉積到石材表面；維護綠化環境，正金銀行南側及西側種有樹木，樹木具有凈化污染物的功能，對周邊綠植的維護在一定程度上也可以預防大氣污染物對石材的侵蝕。

結語

大氣污染對20 世紀建筑遺產石材影響較大，本文通過分析大氣污染物對石材的影響因素及作用機理，針對大氣污染對石材的破壞從規避誘因、監測維護和防止擴散三個層面提出較為可行的預防措施，包括：加強對大氣環境的監測及石材日常檢查，同時采用定期清理、清洗、加固、涂抹防護劑等方法預防大氣污染對石材的破壞，并通過東郊民巷正金銀行舊址這一實例論述了預防性保護措施的應用。雖然保護措施各有千秋，但仍有不足之處，面對大氣環境的污染現狀，加強大氣污染治理對建筑遺產的保護至關重要，也是根本措施，確保最大限度地從大氣污染這一源頭上減少其對于建筑遺產石材的破壞。