費(fèi)利華，吳耿烽

(福建省泉州海外交通史博物館，福建泉州 362000)

0 引 言

溫濕度是影響文物長(zhǎng)期穩(wěn)定保存的最重要的環(huán)境因素，不同質(zhì)地的文物對(duì)保存環(huán)境的溫濕度條件要求不同。同時(shí)，由于文物保存地域的氣候差異很大，即使同種材質(zhì)的文物在不同地域其安全保存條件也并不相同。因此，文物預(yù)防性保護(hù)所要達(dá)到的“適宜”環(huán)境目標(biāo)是針對(duì)不同區(qū)域不同材質(zhì)文物的個(gè)性化要求。

木材具有“干縮濕脹”的特點(diǎn)，木質(zhì)文物在干燥環(huán)境中會(huì)引發(fā)干縮開裂，在高溫高濕環(huán)境中易產(chǎn)生微生物危害，加快劣變速度。因此，適宜的保存環(huán)境對(duì)木質(zhì)文物的穩(wěn)定性尤其重要。目前，從國(guó)外一些博物館的情況來(lái)看，比較公認(rèn)的館藏木質(zhì)文物保存環(huán)境的溫度一般控制在25 ℃以內(nèi)，相對(duì)濕度控制在45%～60%之間，變化幅度控制在5%以內(nèi)。有的博物館基于節(jié)能的目的，會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)夭煌竟?jié)氣候的變化進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整[1]。

泉州灣宋代海船在海洋環(huán)境中沉埋七百多年，木材的物理化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了變化，船木中又含有大量鹽分，主要包括氯化鈉、硫酸鈣、碳酸鈣等，其中氯化鈉在一定的環(huán)境濕度下極易吸濕潮解?？梢?jiàn)，泉州宋船這種特殊的保存狀況不同于一般木質(zhì)文物。此外，泉州灣宋代海船目前是開放式展示，展廳安裝的是普通控溫空調(diào)，為了減少能耗支出，僅在夏季溫度較高的情況下，在日間展廳開放期間開啟空調(diào)。從環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，這一措施反而造成了這一時(shí)間段溫濕度的劇烈波動(dòng)，極不利于船體的穩(wěn)定保存。當(dāng)前迫切需要對(duì)展廳的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造。因此，開展船體適宜保存溫濕度環(huán)境條件研究是極為必要的。

本研究通過(guò)鹽分穩(wěn)定性試驗(yàn)、不同濕度條件下不同木試樣的含水率及尺寸穩(wěn)定性的觀測(cè)與分析，以及溫度變化對(duì)木材穩(wěn)定性的影響等實(shí)驗(yàn)，研究分析船體穩(wěn)定保存的安全溫濕度條件，為船體保護(hù)及展廳空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

實(shí)驗(yàn)儀器：上海一恒科學(xué)儀器有限公司LHS-100CA型恒溫恒濕箱，溫度±0.5 ℃，相對(duì)濕度±3%；G&G電子分析天平，精度0.01 g；德國(guó)麥思德電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺，精度0.01 mm。

實(shí)驗(yàn)材料：分析純氯化鈉(西隴化工)；泉州灣宋代海船3種船體木材；現(xiàn)代杉木、松木與樟木。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2．1 氯化鈉潮解臨界濕度實(shí)驗(yàn)

泉州宋船出土后未采取脫鹽措施，船木中氯化鈉鹽分的含量高達(dá)5%左右，在多年來(lái)開放式保存環(huán)境中，高濕時(shí)鹽分吸水潮解，干燥情況下又脫水結(jié)晶，鹽分反復(fù)的溶解結(jié)晶產(chǎn)生的應(yīng)力作用對(duì)船木造成損害[2]。從船體保存現(xiàn)狀來(lái)看，難以重新拆解進(jìn)行脫鹽處理。而從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，鹽分主要存在于木材細(xì)胞腔與細(xì)胞壁中，穩(wěn)定的鹽結(jié)晶體本身也可起到支撐木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)的作用。因此，如果船體保存環(huán)境的相對(duì)濕度值低于氯化鈉潮解的臨界濕度值，那么，鹽分的存在對(duì)船體的不利影響可降到最低。

查閱相關(guān)資料可知，氯化鈉潮解臨界相對(duì)濕度值有75%和70%兩種說(shuō)法[3-4]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。稱取一定重量的分析純氯化鈉，置于干燥箱中脫水至恒重，然后放入恒溫恒濕箱內(nèi)，溫度恒定25 ℃，逐漸升高濕度，稱重觀測(cè)氯化鈉重量的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同相對(duì)濕度條件下氯化鈉重量變化Fig.1 Changes of weight of NaCl under different relativehumidity conditions

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境濕度在70%的時(shí)候，氯化鈉的重量開始變化，然后隨著濕度的增加，氯化鈉重量出現(xiàn)激增。雖然從實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能精確判斷氯化鈉的臨界潮解點(diǎn)，但是可以確定當(dāng)船體保存環(huán)境的相對(duì)濕度值低于70%時(shí)，船木中的氯化鈉鹽分相對(duì)穩(wěn)定。

2．2 不同濕度條件下木材的平衡含水率實(shí)驗(yàn)

木材的平衡含水率是指木材在一定空氣狀態(tài)(溫度、相對(duì)濕度)下最后達(dá)到的穩(wěn)定含水率。木材的平衡含水率主要取決于環(huán)境相對(duì)濕度的大小。根據(jù)陳承德對(duì)泉州地區(qū)木材室內(nèi)平衡含水率的研究，泉州地區(qū)室內(nèi)用材應(yīng)該干燥至含水率14%左右為宜[5]。為確定古船木材保存的最佳濕度條件，對(duì)不同濕度條件下古船木材的平衡含水率進(jìn)行了觀測(cè)。

將3種古船木材與相應(yīng)的現(xiàn)代木材試樣放入恒溫恒濕箱內(nèi)，將恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度控制在25 ℃，相對(duì)濕度分別控制在45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%，稱重觀察木試樣，直至重量恒定不再變化，記錄不同濕度條件下木試樣的重量，并觀察其變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。再將試樣放入烘箱中至絕干，稱取每一個(gè)試樣的絕干重量，計(jì)算不同濕度條件下的木試樣的平衡含水率，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 吸濕狀態(tài)下六種木試樣重量變化情況Fig.2 Changes of weight of six kinds of wood samplesunder the moisture absorption condition

表1 不同相對(duì)濕度條件下木試樣的平衡含水率

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，濕度從45%上升至70%，古船木與現(xiàn)代木試樣的重量同步穩(wěn)定增加；當(dāng)濕度高于70%的時(shí)候，古船木重量的增長(zhǎng)率開始明顯高于現(xiàn)代木材；當(dāng)濕度達(dá)到75%的時(shí)候，含水率出現(xiàn)激增現(xiàn)象，古樟木表面甚至出現(xiàn)明顯水珠(圖3)，說(shuō)明木材中的鹽分已經(jīng)吸濕潮解。同時(shí)，在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)恒溫恒濕箱濕度達(dá)到75%時(shí)，古船杉木與古樟木試樣表面均出現(xiàn)霉菌(圖4)。顯然，持續(xù)的高濕環(huán)境極不利于古船的保存。

圖3 古樟木表面的水珠Fig.3 Water beads on the surface of the ancient camphor wood

圖4 古樟木表面霉菌Fig.4 Molds on the surface of ancient camphor wood

從表1中可以發(fā)現(xiàn)：1)相同的濕度條件下，3種古船木材的平衡含水率均高于相應(yīng)的現(xiàn)代木材，特別是當(dāng)相對(duì)濕度高于60%后，3種古船木材的平衡含水率遠(yuǎn)高于相應(yīng)的現(xiàn)代木材。2)當(dāng)相對(duì)濕度低于60%，古船木材的平衡含水率隨著相對(duì)濕度的增加而小幅增加，其增加幅度與相應(yīng)的現(xiàn)代木材較接近；當(dāng)相對(duì)濕度高于60%，隨著相對(duì)濕度的增加，古船木材的平衡含水率增幅開始加大，且其增幅遠(yuǎn)高于相應(yīng)的現(xiàn)代木材。3)當(dāng)相對(duì)濕度低于60%，3種古船木材的平衡含水率高低排序?yàn)樯寄京冋聊京兯赡?，?dāng)相對(duì)濕度高于60%，3種木材的平衡含水率高低排序開始出現(xiàn)變化；當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到75%，古船木材中松木的平衡含水率最高，樟木最低。

根據(jù)對(duì)以上現(xiàn)象的分析，古船木材平衡含水率的高低及變化與木材中含有的大量鹽分及降解程度有關(guān)。在氣干狀態(tài)下，木材中含有的水分主要是吸著水，由構(gòu)成木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)的纖維素、半纖維素與木質(zhì)素等高聚物中含有的游離羥基吸附水分子所形成[6]。因此，對(duì)于古代木材來(lái)說(shuō)，由于其纖維素、半纖維素等成分的降解，氣干后吸濕性下降。在相同濕度條件下其平衡含水率理應(yīng)低于現(xiàn)代木材，但由于古船木中含有較高的氯化鈉、石膏等鹽分[2]。在低濕情況下，船木中含有的石膏等鹽分含有結(jié)合水。同時(shí)，因?yàn)槟静牡慕到?，孔隙率變大，更容易吸附水分，造成古船木材的平衡含水率高于相?yīng)的現(xiàn)代木材。在高濕狀態(tài)下，則由于木材中含有的氯化鈉等鹽分吸濕潮解，古船木材的平衡含水率遠(yuǎn)高于相應(yīng)的現(xiàn)代木材。

此外，根據(jù)對(duì)3種古船木材主要化學(xué)成分的分析檢測(cè)，與現(xiàn)代木材相比，3種船木的綜纖維素含量不同程度地降低了，其占現(xiàn)代木材綜纖維素含量的比例分別為松木30%，樟木56%，杉木77%，可見(jiàn)3種木材的降解程度依次為松木﹥樟木﹥杉木[7]。比較3種古船木材的平衡含水率高低，當(dāng)相對(duì)濕度低于60%，古船木材平衡含水率高低排序剛好與其降解程度相反。由此分析古船木材的平衡含水率高低與其降解程度呈一定的相關(guān)性，降解程度越高，吸濕性越差，平衡含水率越低。隨著相對(duì)濕度的提高，由于木材中鹽分的吸濕作用，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到75%的時(shí)候，3種古船木材的平衡含水率高低差距明顯拉大，此階段鹽分含量的高低是影響3種古船木材平衡含水率大小的主要因素。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，當(dāng)相對(duì)濕度低于60%，古船木材平衡含水率的變化相對(duì)較小，同時(shí)鹽分對(duì)古船木材平衡含水率的影響也較小。綜合考慮船體3種木材的平衡含水率，當(dāng)相對(duì)濕度在50%～60%之間，3種古船木材的平衡含水率在12.15%～17.89%之間。結(jié)合泉州地區(qū)木材的室內(nèi)平衡含水率，可以認(rèn)為船體木材在這一濕度區(qū)間的平衡含水率較為適宜。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濕度發(fā)生變化時(shí)，不同樹種的木試樣含水率達(dá)到新的平衡所需的時(shí)間是不一樣的。樟木達(dá)到新的含水率平衡時(shí)所需約72～96 h，杉木所需約24 h，松木約9 h。樟木所需時(shí)間最長(zhǎng)，松木則最快達(dá)到平衡。同一樹種，當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，古代木材與現(xiàn)代木材吸脫水的速度也是不一致的。樟木與杉木新舊木材差別不大，但松木則明顯有差異，古船松木比現(xiàn)代松木更快達(dá)到平衡。木材吸脫水速度的快慢反映了木材對(duì)環(huán)境濕度變化的敏感性不同，由此可見(jiàn)，環(huán)境相對(duì)濕度的變化對(duì)松木的穩(wěn)定性影響更大。

2．3 相對(duì)濕度變化與木材尺寸穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

木材失水收縮導(dǎo)致的干裂危害性遠(yuǎn)高于吸濕膨脹。因此，選擇在解吸狀態(tài)下觀測(cè)相對(duì)濕度變化時(shí)木試樣尺寸的變化情況。由于是非標(biāo)準(zhǔn)試樣，觀測(cè)時(shí)除縱向外，徑向與弦向只是接近于實(shí)際徑向、弦向。

2．3．1連續(xù)解吸狀態(tài)下木試樣的尺寸變化 恒溫恒濕箱內(nèi)溫度保持在25℃，相對(duì)濕度從75%下降，分別調(diào)至65%、60%、57%、50%、45%，變化幅度分別為10%、5%、3%、7%、5%，觀察在解吸狀態(tài)下隨著相對(duì)濕度的變化木試樣尺寸的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同濕度條件下木試樣3個(gè)方向尺寸

從表2中可以看出：當(dāng)濕度從高到低變化時(shí)，1)古船試樣與現(xiàn)代試樣的3個(gè)方向持續(xù)收縮的趨勢(shì)一致，且隨著相對(duì)濕度的降低，木材尺寸的收縮變化幅度變小。2)所有試樣3個(gè)方向的變化中，縱向變化最小，現(xiàn)代木材的弦向變化幅度高于徑向，但古船木材的徑向變化幅度大于弦向。

在古船試樣的3個(gè)方向中，徑向的收縮位移幅度最大，統(tǒng)計(jì)并觀察不同試樣在不同濕度變化幅度下徑向變化率的大小(表3)?？梢园l(fā)現(xiàn)在解吸過(guò)程中，相對(duì)濕度變化幅度越大，木材的收縮位移也越大。相同的濕度變化幅度情況下，相對(duì)濕度高于60%時(shí)的尺寸變化率大于相對(duì)濕度低于60%。

表3 不同相對(duì)濕度變化幅度下木試樣徑向尺寸的變化率

2．3．2連續(xù)10%變化幅度下木試樣徑向尺寸的變化 為進(jìn)一步了解相同變化幅度不同濕度變化區(qū)間木試樣徑向尺寸的變化情況，將恒溫恒濕箱內(nèi)的相對(duì)濕度從75%連續(xù)下降10%至45%，觀察木試樣徑向的變化率，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 連續(xù)10%濕度變化幅度時(shí)木試樣徑向尺寸的變化率

從表4中可以看出，同樣10%的下降幅度，濕度越低，尺寸的變化幅度相對(duì)越小。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，在相對(duì)濕度下降過(guò)程中，變化幅度越大，古船木材的尺寸變化也越大。相同的濕度變化幅度下，高濕狀態(tài)比低濕狀態(tài)下尺寸變化幅度更大。如果以徑向變化最小時(shí)的濕度區(qū)間作為古船保存的最宜濕度范圍，則環(huán)境相對(duì)濕度低于60%，船木試樣的尺寸變化相對(duì)較小。雖然濕度的波動(dòng)幅度越小越有利于船體的保存，但事實(shí)上在公共活動(dòng)空間，要實(shí)現(xiàn)環(huán)境相對(duì)濕度低于3%的波動(dòng)幅度幾乎是不可能的。因此，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果并參考世界各地博物館的經(jīng)驗(yàn)，5%的波動(dòng)幅度較為合理。

2．4 溫度變化與木材平衡含水率、尺寸的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

將恒溫恒濕箱內(nèi)的濕度控制在55%，溫度從25 ℃上升5 ℃再分別下降至25 ℃與20 ℃，觀察試樣平衡含水率與尺寸的變化，結(jié)果見(jiàn)圖5、表5。

從圖5、表5中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相對(duì)濕度穩(wěn)定在55%時(shí)，溫度變化對(duì)木材平衡含水率有影響，溫度上升，木材含水率降低，溫度下降，木材含水率升高，但溫度變化對(duì)木材尺寸沒(méi)有明顯影響。實(shí)驗(yàn)中古船木材的平衡含水率約在12%～15%之間，含水率變化不會(huì)引起木材尺寸的變化。

圖5 溫度變化時(shí)木試樣平衡含水率的變化Fig.5 Changes of equilibrium moisture content of woodsamples when temperature changes

表5 溫度變化時(shí)木試樣的徑向尺寸

3 討 論

從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，古船木材因本身材質(zhì)降解以及內(nèi)含有大量鹽分，其在相對(duì)濕度的變化過(guò)程中表現(xiàn)出與現(xiàn)代木材不一樣的特點(diǎn)。在相同濕度條件下，古船木材平衡含水率高于現(xiàn)代木材；當(dāng)相對(duì)濕度高于60%，隨著濕度的變化，古船木材的平衡含水率變化幅度遠(yuǎn)高于現(xiàn)代木材；此外，在解析收縮過(guò)程中，古船木材的徑向位移變化大于弦向，這與應(yīng)用數(shù)字散斑法研究古船木材干縮濕脹特性時(shí)得出的結(jié)論是一致的[8]，但與現(xiàn)代木材的變化規(guī)律相背，其機(jī)理還需作進(jìn)一步分析研究。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，船體保存環(huán)境相對(duì)濕度控制在50%～60%之間，波動(dòng)幅度控制在5%以內(nèi)，船體木材的平衡含水率適宜，濕度的變化對(duì)船體尺寸的影響較小，有利于船體保存。當(dāng)相對(duì)濕度平穩(wěn)時(shí)，溫度的正常波動(dòng)不會(huì)影響船木尺寸的穩(wěn)定性。

對(duì)文物保存環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)定、潔凈”的預(yù)防性保護(hù)目標(biāo)的重要手段。對(duì)于體量較小的文物，可將其密閉保存，通過(guò)微環(huán)境的調(diào)控很容易達(dá)到保護(hù)的目標(biāo)，但對(duì)于像泉州灣宋代海船這種開放式展示的大型珍貴木質(zhì)文物，展示環(huán)境空間達(dá)到8 000 m3，在實(shí)現(xiàn)適宜保存環(huán)境要求的同時(shí)，能耗是必須考慮的實(shí)際問(wèn)題。對(duì)溫濕度的控制標(biāo)準(zhǔn)越高，能耗必然也越高。從船體保護(hù)的角度來(lái)看，相對(duì)濕度是影響船體穩(wěn)定性的最主要因素。因此，“濕度優(yōu)先”是船體保存環(huán)境控制的主要目標(biāo)。從溫度對(duì)船體的影響來(lái)看，木材是天然有機(jī)材料，在常溫下是相對(duì)穩(wěn)定的，木材的主要破壞性威脅來(lái)自于生物，比如木材腐朽菌或白蟻等有害昆蟲。此外，還有化學(xué)因素，例如酸和堿都能造成木材成分的水解。常溫下單一溫度的因素對(duì)木材的影響是有限的，不過(guò)在水分、氧氣，以及光照等綜合因素共同作用下，特別是在高濕環(huán)境中，溫度升高可加快纖維素水解等化學(xué)反應(yīng)的速度，從而造成材質(zhì)劣化。因此，如果將濕度、光照等因素控制在安全限值內(nèi)，可適當(dāng)放寬溫度的控制范圍。泉州屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫在21 ℃左右。根據(jù)對(duì)泉州宋船展廳內(nèi)環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，在沒(méi)有空調(diào)設(shè)施的情況下，一年之中至少有半年的時(shí)間展廳內(nèi)日均溫度高于25 ℃，特別是夏季6、7、8月展廳內(nèi)最高溫度可達(dá)33 ℃以上[9]。因此，從節(jié)能的角度考慮高溫季節(jié)可以適當(dāng)提高展廳內(nèi)環(huán)境溫度控制的上限，考慮到人體舒適度，可將溫度上限控制在27 ℃。

此外，通過(guò)溫濕度獨(dú)立控制設(shè)計(jì)、增設(shè)緩沖門、控制人流量等措施也能更好地實(shí)現(xiàn)溫濕度的平穩(wěn)并降低能耗。

4 結(jié) 論

根據(jù)前期調(diào)查以及實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，綜合保護(hù)目標(biāo)及能耗等多方面的考慮，并根據(jù)泉州地區(qū)氣候的實(shí)際情況，分析認(rèn)為泉州灣宋代海船保存環(huán)境溫濕度控制應(yīng)以“濕度優(yōu)先，合理控溫”為目標(biāo)。古船陳列館內(nèi)高溫季節(jié)溫度上限控制在27 ℃，其余時(shí)段控制在25 ℃以內(nèi)；相對(duì)濕度控制在50%～60%之間，變化幅度控制在5%以內(nèi)較為安全合理。