利用高强无机纤维材料修复骨质文物的方法

技术领域

本发明涉及文物保护技术领域，确切地说是利用高强无机纤维材料修复骨质文物的方法。

背景技术

高强无机纤维材料，填补了国内遗址保护展示无机材料研究空白，试点应用 于若干遗址保护和展示利用工作。为让高强无机纤维材料在遗址保护和展示方面 进一步发挥优势与作用，促进遗址保护与文旅事业高度融合，在技术层面和实际 应用层面上作进一步研究、分析和探索，总结经验，凝练技术与方法，提升研究 成果在遗址可持续发展方面应用推广水平与能力。

高强无机纤维材料，填补了国内遗址保护展示无机材料研究空白，试点应用于若干遗址 保护和展示利用工作。为让高强无机纤维材料在遗址保护和展示方面进一步发挥优势与作用， 促进遗址保护与文旅事业高度融合，在技术层面和实际应用层面上作进一步研究、分析和探 索，总结经验，凝练技术与方法，提升研究成果在遗址可持续发展方面应用推广水平与能力。

当前国家对于大遗址保护展示工作空前重视，国内对于大遗址保护展示材料与文旅融合 方面的研究内容甚少，亟需研究针对不同文物对象特别是大遗址的的保护展示利用材料，保 护展示利用工作要适应不同地域、不同环境、不同类型、不同文化内涵的保护展示利用需求， 学术与市场需求迫切，课题紧迫性与必要性充足。

在当前文旅融合的时代背景下，从应用广度和深度层面，进一步改良提升，高强无机纤 维材料在遗址保护应用，利用自身仿真性和可塑性强的特点，广泛应用于遗址本体复原展示、 可移动文物复制、博物馆建设及展陈等遗址展示利用的多个方面。

随着公众对文化生活需求的不断增强，对于遗址保护展示效果的要求日益提高，亟需科 学、合理、安全、有效的展示利用手段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是由于文物原生环境发生改变，深埋地下的骨质文物暴露空气 之后，随季节和温湿度的反复循环变化，会遭受一定程度的破坏，目前存在的具体病害和问 题是:总体有风化，部分面脥骨和肋骨已完全风化腐烂；部分小骨头散落缺失；骨质总体强度、 密度下降，弹性降低，脆性增加；部分骨表面有霉斑，颜色变黑，表面有大量裂纹；骨表面土 锈、尘土污染严重；搬运受力不均匀，造成骨质文物支撑土严重开裂、错位；潮湿导致骨质文 物埋于潮湿的泥土中，遭受土壤、水份等的侵蚀。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

利用高强无机纤维材料修复骨质文物的方法，包括如下修复步骤：

步骤1：清扫灰尘：对骨质文物使用吸尘器清理浮尘，使用软毛刷去除粘合牢固的灰尘， 得到初步清洁的骨质文物；

步骤2：骨质文物保护：骨质文物保护包括骨质文物清洗和骨质文物粘接，所述的骨质 文物清洗在骨质文物发掘后，未认真清理泥土就使用乳胶进行了加固，骨质文物的颜色和附 近的泥土颜色接近，确定使用高强无机纤维材料可方便有效的去除骨质文物的泥土，使恢复 应有的颜色；在使用高强无机纤维材料确定后，需认真的操作，因骨质文物很脆弱；

步骤3：土体加固：遗址的土体虽然进行了乳胶的加固，但是一些坑壁的土仍在酥粉， 这个与土体的含水和含盐有关，这部分的土体需要进行加固处理，达到稳定，并在适当的条 件下进行脱盐处理；

步骤4：下部支撑加固：对原来地下防水工程存在裂隙采取加固措施；

步骤5：屋顶防水处理：更换顶棚，对屋顶由于车行震动等原因造成的漏水问题进行处 理。

作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

所述的骨质文物粘接为一些破碎的骨质文物需要使用可逆的粘接材料进行处理，达到恢 复原位的目的。

所述的高强无机纤维材料为石英、碳酸钙、石膏、硅酸钠，其中主要成分Na2O为1.3份， MgO为4.3份，Al2O3为23.8份，SiO2为29.6份，SO3为7.5份，K2O为1.4份，CaO为29.2 份，Fe2O3为1.4份。

所述的高强无机纤维材料为石英、碳酸钙、白云石、磷镁铝石，其中主要成分Na2O为 0.8份，MgO为11.8份，Al2O3为24份，SiO2为30.3份，SO3为3.5份，K2O为1.3份， CaO为24.6份，Fe2O3为3.0份。

所述的高强无机纤维材料为石英、碳酸钙、石膏、水滑石、云母，其中主要成分Na2O为 1.7份，MgO为4.9份，Al2O3为28.4份，SiO2为37.1份，SO3为7份，K2O为1.4份，CaO 为16.7份，Fe2O3为2.0份。

保护展示工程加强坑保存监测、骨质文物专项保护、设置防护围栏、土地征用、搬迁建 筑物、取消道路，以及展厅室内提升和部分展室拆除、墓葬标识展示、修建参观道路、修建 标识系统和管理服务设施、植被绿化、建设给水、供电基础设施等。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施例的结构框图。

图2为本发明的第1矿物原料X-射线衍射分析结果。

图3为本发明的第2矿物原料X-射线衍射分析结果。

图4为本发明的第3矿物原料X-射线衍射分析结果。

图5为本发明的第4矿物原料X-射线衍射分析结果。

图6为本发明的第5矿物原料X-射线衍射分析结果。

图7为本发明的第6矿物原料X-射线衍射分析结果。

图8为本发明的第7矿物原料X-射线衍射分析结果。

图9为本发明的第8矿物原料X-射线衍射分析结果。

图10为本发明的第9矿物原料X-射线衍射分析结果。

图11为本发明的第10矿物原料X-射线衍射分析结果。

图12为本发明的第11矿物原料X-射线衍射分析结果。

图13为本发明的第12矿物原料X-射线衍射分析结果。

图14为本发明的第13矿物原料X-射线衍射分析结果。

图15为本发明的第14矿物原料X-射线衍射分析结果。

图16为本发明的第15矿物原料X-射线衍射分析结果。

图17为本发明的第16矿物原料X-射线衍射分析结果。

图18为本发明的第20矿物原料X-射线衍射分析结果。

图19为本发明的第9矿物原料红外光谱分析结果。

图20为本发明的第12矿物原料红外光谱分析结果。

图21为本发明的第10矿物原料红外光谱分析结果。

图22为本发明的第18矿物原料红外光谱分析结果。

图23为本发明的第21矿物原料红外光谱分析结果。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

具体实施例1：

参见图1可知，本发明利用高强无机纤维材料修复骨质文物的方法，其特征在于：包括 如下修复步骤：步骤1：清扫灰尘：对骨质文物使用吸尘器清理浮尘，使用软毛刷去除粘合 牢固的灰尘，得到初步清洁的骨质文物；步骤2：骨质文物保护：骨质文物保护包括骨质文 物清洗和骨质文物粘接，所述的骨质文物清洗在骨质文物发掘后，未认真清理泥土就使用乳 胶进行了加固，骨质文物的颜色和附近的泥土颜色接近，确定使用高强无机纤维材料可方便 有效的去除骨质文物的泥土，使恢复应有的颜色；在使用高强无机纤维材料确定后，需认真 的操作，因骨质文物很脆弱；骨质文物粘接为一些破碎的骨质文物需要使用可逆的粘接材料 进行处理，达到恢复原位的目的；步骤3：土体加固：遗址的土体虽然进行了乳胶的加固， 但是一些坑壁的土仍在酥粉，这个与土体的含水和含盐有关，这部分的土体需要进行加固处 理，达到稳定，并在适当的条件下进行脱盐处理；步骤4：下部支撑加固：对原来地下防水 工程存在裂隙采取加固措施；步骤5：屋顶防水处理：更换顶棚，对屋顶由于车行震动等原 因造成的漏水问题进行处理。

具体实施例2：

东周殉马坑位于淄博市临淄区河崖头村西。墓主为齐景公，是继姜太公后第25代国君， 在位58年，是齐国执政最长的一位国君。墓室南北26米多，东西23米余，椁室位于墓室中 部，用自然石块垒砌，南北长8米，东西宽7米，深5米。墓早年被盗，随葬品无存，唯周围的殉马坑大部分保存完好。

1964年山东省考古所发掘了北面西段54米，清理殉马145匹；1972年发掘清理了西面 南端30米，殉马83匹；1980年于西面南端建起殉马坑展厅，展示殉马106匹。殉马排列密度平均每米地段2.78匹，全部殉马当在600匹上下，属世界罕见。殉马全是壮年战马，且均为骟马，是被处死后人工排列而成，马两行，前后叠压，昂首侧卧，四足蜷曲，形作奔跑状，呈临战姿态，威武壮观。

具体实施例3：

本发明高强无机纤维材料的物理特性；

实验样品选取与编号：

高强无机纤维材料组成包括各种天然矿物原料、粘合剂、柔性纤维材料(玻璃纤维、纤 维网)、添加剂等，根据不同的保护对象及制作要求，调整以矿物骨料、纤维材料、粘合剂 及添加剂的配比，形成高强无机纤维材料。

针对物理特性实验选取各类原料8种，高强无机纤维材料试样5块，骨质试样2个，瓦 当试样4片，开展成份、结构和物理化学性能表征，尝试对高强无机纤维材料的配方进行拟 合复原，论证高强无机纤维材料相关工艺和相关参数。

按照各类检测方法及工程试验法的要求，对试样进行切割、研磨、压片、抛光、粉碎等 处理。

具体名单为：第1矿物原料、第2矿物原料、第3矿物原料、第4矿物原料、第5矿物 原料、第6矿物原料、第7矿物原料、第8矿物原料、第9高强无机纤维材料试样、第10高 强无机纤维材料试样、第11高强无机纤维材料试样、第12高强无机纤维材料试样、第13高 强无机纤维材料试样、第14高强无机纤维材料试样、第15高强无机纤维材料试样、第16骨 质试样、第17骨质试样、第18瓦当试样、第19瓦当试样、第20瓦当试样、第21瓦当试样。

具体实施例4：

X-射线荧光分析(XRF)

采用德国Bruker公司PUMAS2型X-射线荧光仪，测定条件：Ag靶X光管，管压50kV，管流2mA，测量时间为300s，测量环境为真空。XRF测试结果见表1X-射线荧光分析结果(Wt％)。

表1X-射线荧光分析结果(Wt％)

由分析结果可知1、3、5、6、8号矿物原料的主要元素为Si、Al、Na、K，应当是长石 类矿物，利用这些原料粒径和微量成份不同可以调整合成产物的强度与颜色，满足高强无机纤维材料试样的需求，是制备高强无机纤维材料试样的主料。

2号矿物原料的主要元素是Ca、Al、Si、S，与铝酸钙-硫铝酸钙水泥成份相似，是主要 的胶凝材料。

4号矿物原料的主量元素是Mg、Al、Si、Ca、Fe，可能是辉石类矿物，可提高高强无机纤维材料的早期胶结强度。

7号矿物原料的主量元素是Ca、Si，可能是硅质石灰岩，可在一定程度上替代高硅类原 料，降低制作成本。

9号试样包含红、黄色两部分，主要元素是Mg、Al、Si、S、Ca，黄色部分9-2中的Mg 含量更高，是为了加快高强无机纤维材料的早期胶结强度，便于在未完全烘干时对红色表层加工。

10、11、12、14、15、16号高强无机纤维材料试样的主量元素是Al、Si、S、Ca，由水 化硫酸铝三钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙组成。

14、15号试样中的钙含量极高，是为降低成本使用了一定量的石粉替代主料。

具体实施例5：

X-射线衍射分析(XRD)：

采用日本理学公司RINT 2000型X-射线衍射仪，测定条件：管压40kV，管流40mA，发射狭缝DS为1°，接收狭缝RS为0.15mm，端窗CuK，α靶X-射线管，真空光路。

试样的XRD试测分析结果见表2。

X-射线衍射结果表明，1-8号矿物原料的分析结果与XRF一致，为长石类矿物；9、10、 11、12、14、15、16号试样的主要成份是SiO2；13号试样中的主要成份是CaCO3。这些试样的主要原料为硅类尾矿，有少部分试样使用了石粉调整性能。

此外9试样中发现了水硬性材料硅酸钠；10、13号试样中发现了磷镁铝石，表明试样制 备过程中使用了镁类矿物作为水硬性胶结材料；12、14、15、16号试样中发现了胶凝材料石 膏；15、16号试样中发现了水合硅酸钙，使用了硅酸盐水泥或石灰活化剂。结合XRF结果可 以推断试样中胶结物通过以下反应形成。

SiO2+mCa(OH)2+H2O→mCaO·SiO2·H2O

Al2O3+nCa(OH)2+H2O→nCaO·Al2O3·H2O

CaO·Al2O3·xH2O+CaSO4·0.5H2O→CaO·Al2O3·CaSO4·(x+0.5)H2O。

具体实施例6：

扫描电镜分析(SEM-EDS)，

采用捷克TESCAN公司VEGA3型扫描电子显微镜分析试样形貌，电压为15KV，配备能谱 仪BrukerXFlash 610M detector，测试条件：激发电压20KV，扫描时间100s。

表3 9号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

高强无机纤维材料试样中的主量元素为Ca、Si、Al，次量元素为Fe、Mg、K、S。红色仿古层Fe含量较高，与黄色底层成份差距较小，属一次成型工艺。

具体实施例7：

表4 10号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

高强无机纤维材料试样中可以观察到纤维状物质，主要元素是Si、Ca、Na、Zr，是耐碱 玻璃纤维的主要成份。这些玻璃纤维呈网格状分布，能够起到长纤维韧化作用。

具体实施例8：

表5 11号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

高强无机纤维材料试样中的短纤维同样是耐碱玻璃，这些纤维弥散分布在材料结构中， 可以起到短纤维韧化作用。

具体实施例9：

表6 12号试样的能谱分析结果(Wt％)

12号高强无机纤维材料试样和9号高强无机纤维材料试样的做旧工艺一致，只是表面层 更薄。

具体实施例10：

表7 13号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

13号试样结构中除了常见的增强相外，还有C4AF(铁铝酸四钙)。

具体实施例11：

表8 14号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

14号高强无机纤维材料试样中，Fe元素含量的降低导致黄色层变为青色层。

具体实施例12：

表9 15号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

15号试样中也采用了长纤维增韧工艺，所用的纤维原料与9号样品一致。

具体实施例13：

表10 16号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

16号试样中也采用了短纤维韧化工艺，所用的纤维原料与9号样品一致。

具体实施例14：

表11 17号试样的能谱分析结果(Wt％)

17号试样中也使用了同样的纤维，青色砖块中铁含量较低。

具体实施例15：

表12 18号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

18号试样表面泛绿，用了铜锈做旧。此外，3号区域可以观察到大量氯元素，可能使用 了氯化聚丙烯粘合剂来黏结铜锈。

具体实施例16：

表13 19号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

元素种类及含量与黏土砖差异较小，二者配方基本一致。

具体实施例17：

表14 20号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

与17号试样的配方基本一致。

具体实施例18：

表15 21号试样的SEM-EDS分析结果(Wt％)

上述两种试样成份差距不大，但某些区域出现了铁元素富集，强度更低。

具体实施例19：

红外分析(FTIR)：采用美国Thermo Fisher公司Nicoletis5型傅里叶红外变换光谱仪 测量样品，波数范围为4000-400cm-1。

表15.部分试样的红外光谱分析结果

9、12号高强无机纤维材料试样中的玻璃纤维表面有聚氨酯的存在，该物质可以起到胶 结玻璃纤维的作用，提升力学强度。10号高强无机纤维材料试样、15号骨质试样和16号瓦 试样当中均未观察到有机添加剂。

具体实施例20：

物理性能测试：

表17 试块的物理性能测试结果

高强无机纤维材料试样，在潮湿多雨地区露天使用时优化配方降低吸水率，各类高强无 机纤维材料试样的抗弯、抗冲击等结果均达到国家同类产品性能要求。

具体实施例21：

高强无机纤维材料为石英、碳酸钙、石膏、硅酸钠，其中主要成分Na2O为1.3份，MgO为 4.3份，Al2O3为23.8份，SiO2为29.6份，SO3为7.5份，K2O为1.4份，CaO为29.2份， Fe2O3为1.4份。

具体实施例22：

高强无机纤维材料为石英、碳酸钙、白云石、磷镁铝石，其中主要成分Na2O为0.8份， MgO为11.8份，Al2O3为24份，SiO2为30.3份，SO3为3.5份，K2O为1.3份，CaO为24.6 份，Fe2O3为3.0份。

具体实施例23：

高强无机纤维材料为石英、碳酸钙、石膏、水滑石、云母，其中主要成分Na2O为1.7份， MgO为4.9份，Al2O3为28.4份，SiO2为37.1份，SO3为7份，K2O为1.4份，CaO为16.7 份，Fe2O3为2.0份。

由于以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护不限于此，任何本技术领域 的技术人员所能想到本技术方案技术特征的等同的变化或替代，都涵盖在本发明的保护范围 之内。