2024年7月16日至19日，以“重塑：数字遗产新质生产力”为主题的2024文化遗产保护数字化国际论坛在北京中关村国际创新中心成功举办，大会开设了四个联办国家专场，以及历史城镇、人工智能、数字石窟、考古遗址、三山五园等多个学术专场，带来了近百篇精彩的学术报告。
7月17日，在青年专场上，沈阳工业大学建筑与土木工程学院副教授王肖宇作题为《沈阳清昭陵建筑遗产砖石材料的风化和预防性保护》的报告。
王肖宇
沈阳工业大学建筑与土木工程学院副教授
各位专家学者、各位老师和同学，下午好，我是沈阳工业大学的老师王肖宇。我今天汇报的题目是“沈阳清昭陵建筑遗产砖石材料的风化和预防性保护”。这个项目是基于数字化分析与模拟的辽宁前清建筑遗产区域整体保护方法研究，是国家自然科学基金资助的项目。
2004年沈阳的盛京三陵被纳入世界文化遗产。在此前对沈阳清昭陵的现场调查中，我们发现其砖墙材料主要有几个风化形式：一是酥碱，尤其集中在红色的砖雕位置；二是剥落，就是有一些石头稍微有一些掉落；三是表面凹窝、磨圆，磨圆主要集中在侧面角落的地方，因为可能有风蚀，还有和其他的问题；四是发丝状裂缝，最后是成分损失。根据砖墙的风化形式和强度，如酥碱的深度、强度、厚度等，我们对其进行中等、高等、轻微风化等分类。
因为沈阳冬天比较寒冷，所以我们在现场进行热成像测量分析，主要集中在寒潮降雪天气前后做热成像数据对比。我们对寒潮降雪前后的温度做了对比，发现寒冷天气对砖墙造成的温差是很大的。
根据现场的热成像测量，我们做了测试点温度统计数据，发现风化的和没有风化的位置温差相差很大。
风化测试点温度统计数据
通过XRF分析（X射线荧光光谱分析），我们发现红砖雕的酥碱、风化的部位，二氧化硅的含量和青砖的位置不同；而三氧化二铝、三氧化二铁及其他元素的含量相差也很大。
砖样主要元素和含量
XRD分析（X射线衍射分析）显示，红砖雕的酥碱部位，主要成分有钾长石、石英、石灰石，青砖部位则是石灰石、石英，此外还有一些经过风化以后转换形成的矿物成分。
通过SEM显微结构分析发现，红砖雕不同部位的电镜照片中，屏幕上显示的尺度分别为100μm、20μm。这两种情况存在差异，因为涉及两个不同的样品。为确保分析全面，我们对每种情况均制备了两个样品。分析结果显示，完整的石块与含有碎末的石块在显微结构上明显不同，能够反映出矿物成分存在损失的区域。此外，观察到颗粒状结构的形成，这揭示了砖墙发生风化的内在原因。
接下来我们首先探讨气候变化对建筑遗产的影响。以沈阳地区为例，1月为一年中最冷的月份。根据沈阳市典型气象年的逐时气象数据，1月的日平均气温介于-4.5℃至-26.9℃之间，最低气温可达-32.9℃；同时，1月的日太阳总辐射量平均为6.92 MJ/㎡，最大值可达9.95 MJ/㎡。附图展示了日平均气温与辐射量的关系。
其次，讨论冻融循环对建筑遗产的影响。热成像分析能够直观显示砖墙的温度分布。图中橘色区域表示温度较高，越偏紫色的区域表示温度越低，从而揭示砖墙不同部位的温度差异。结合最右侧的曲线图可以观察到，先前所述的风化病害部位恰好对应温度较低的区域。通过分析从测试点左侧到右侧的照片，可以确认温度较低的位置基本与病害位置相符。基于热成像分析，我们发现隆恩门砖墙在寒潮前后的温差达到15~16℃，而风化位置与未风化位置之间的温差约为10℃。
冻融循环的形成，源于温度变化导致水分在液态水与固态冰之间反复相变。水在物态变化过程中体积发生膨胀和收缩，产生强大的膨胀应力，对建筑材料造成不可逆的破坏；在冻结过程中，材料内部水体积增加引发内应力，由此产生的风化作用会导致石材、砖材、陶瓷等材料结构的损坏与解体。
第三个方面是干燥和干裂对建筑遗产的影响，这在冬季尤为显著。冬季夜晚结冰，白天则可能发生解冻。我们通过CFD模拟进行了数字化分析，模拟了晴天、多云和阴天三种条件下砖墙测试点的温度变化，从而研究干燥和干裂对建筑遗产的影响。主要结论如下：
1
在相同温度变化下，不同矿物因热膨胀系数差异产生变形差，导致矿物间结构破坏，进而引起砖石劣化。
2
同一时刻岩石不同位置存在温度差异，这种差异导致岩石各部分发生不均匀的膨胀或收缩变形。
3
温度升高或降低会改变矿物内部应力，并通过水分的冻融循环造成破坏。
4
此外，温度还能影响微生物的生长代谢，并加速矿物内部的化学作用。
我们还探讨了盐结晶循环对建筑遗产的影响。通过多项实验分析，我们鉴定了砖石中的矿物成分与化学元素，发现硫酸钙、硫酸钠、碳酸钙、氯化钠等盐类结晶存在于砖体表面或孔隙中。当空气湿度较大时，这些晶体吸水溶解；在白天干燥条件下又重新结晶。这种“结晶—溶解—再结晶”的循环过程所产生的应力，是造成古砖损毁的主要因素之一。
其次，这些盐类与其他可溶性物质一同随雨水冲刷流失，导致砖体形成分层结构。在大气污染严重的地区，空气中含有二氧化碳、二氧化硫、硝酸等气体，雨水在形成和降落过程中吸收并溶解这些酸性气体形成酸雨。酸雨进入砖体后，也能反应生成硫酸钙、硫酸钠、硝酸钙、碳酸钙等盐类物质。
基于上述对病害及风化情况的分析，结合实验室分析与CFD数字化模拟结果，我们最后讨论如何制定预防加固措施。我们建议对建筑遗产实施以预防侵蚀破坏为导向的保护策略，并及时针对重点构件和易损部位提出预防性加固措施。例如，对屋顶、墙体、地面、台基、台阶等部位的破损进行加固；对门窗、柱子、斗拱等构件的裂缝、脱皮、磨损进行填补与重新涂漆；对彩画颜料进行渗透加固等。这些将是课题后续阶段需要开展的工作。
以上是我课题的部分研究成果，汇报完毕，谢谢大家，恳请各位专家学者批评指正。
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李浚 杜寇 习熠飞
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