梁宏刚:宁家坡新石器遗址出土陶窑的加固保护性搬迁与修复

时间:2019-03-05 19:25:20

摘要:宁家坡新石器遗址出土陶窑是迄今为止我国发现保存最早最完好的庙底沟二期竖穴陶窑。由于地处黄河小浪底水库淹没区,我们对陶窑采用分块切割、套箱包装运输,最后异地复原陶窑的保护性搬迁修复方案。陶窑切割搬迁与修复时采用改性环氧树脂WB-1 型和WB-2 型加固保护用高分子材料;修复复原采用从Y501 陶窑火膛底部开始、吊装陶窑切割搬迁块拼对复原的方式;最后窑体内侧切割缝采用石膏色泥封补,外侧围裹建筑用砖,再调制石膏浆浇注固结整个窑体,最终完成陶窑的异地搬迁保护修复。

宁家坡遗址位于山西省垣曲县古城镇,地处国家重点工程黄河小浪底水库淹没区内。南距黄河3.5公里,坐落于毫清河西南岸2级台地上,文化遗存以庙底沟二期文化为主,仰韶文化次之,其它时期极少。1997年,为配合国家重点工程黄河小浪底水库淹没区的文物保护工作,山西省考古研究所在山西省垣曲县古城镇宁家坡村东北约100米处的宁家坡新石器遗址,进行了大规模的考古发掘,发现了一系列重要遗迹。其中两座沿冲沟沟壁并列建造的庙底沟二期竖穴陶窑格外引人注目,这是迄今为止全国发现的保存最完好的史前时期陶窑遗存。

宁家坡遗址中部一条东西向弧状大壕沟,将遗址分为东北、西南两部分。两座发掘出土的陶窑东西并列于壕沟北侧断崖上(图一),西侧陶窑编号Y501,东侧陶窑编号Y502。两陶窑中心间距2.3米,内侧壁间距最近处不足0.5米。陶窑结构自下而上依次为火膛、火口及火道、窑室三部分。其中窑室前方开口一窑门,顶部开口一烟道,两窑除火膛略有不同外,其余构造基本相同。

由于陶窑遗址坐落于小浪底水库淹没区内,而且具有极高的历史价值和科学价值,因而山西省考古研究所决定搬迁复原这座陶窑。

一、陶窑的加固保护性搬迁

(一)保护搬迁方案选择与加固材料的筛选

土质文物一般指未经过人工特殊处理的土结构文物和由于地下埋藏环境影响而造成出土时完全腐朽甚至土壤化的有机质文物,如新石器时代的遗址(西安半坡遗址)或商周时期的车马坑(河南三门峡虢国墓地车马坑、山西曲沃晋侯墓地车马坑等),由于其特殊的结构和力学性能,不仅在考古发掘中极易崩塌损坏,而且外观表面也极易风化剥蚀,不易保存。由于宁家坡陶窑属于粘土结构的出土文物,即土质文物,不仅构造松散、强度极低、不定形且易垮塌损坏,而且两座陶窑并排相连且体量较大,加之受当地地理条件所限,难以采取整体加固搬运的方法。通过筛选加固材料,进行现场实验论证,我们最终研究决定采用高分子材料对陶窑进行渗透加固,辅以石膏浆稳固增强后,用手工钢锯分块切割,最后采用“套箱法”装箱保护搬迁的方案。

陶窑加固保护性搬迁所用高分子材料,是山西省考古研究所与复旦大学高分子科学系,按照国内文物保护修复材料相对通行的原则进行合作研制,编号为WB-1型改性环氧树脂。WB-1型加固保护材料为淡黄色液体,粘度较低,流动性和渗透性较好。实验室和现场试验表明:WB-1型加固保护材料在密实度适中的土壤(d=1.5~1.7)中垂直渗透深度可达2厘米左右;冻融试验和湿热老化试验表明,在-20℃到30℃温度变化范围内和相对湿度30~95%、温度60℃±5℃的环境条件下,其加固后的试样外观无明显变化;实验室热氧老化试验数据显示,室温下时效寿命超过100年。此外,材料固化后本身的拉伸强度超过200kg/cm2,加固后的土壤试样压缩强度也高于100kg/cm2;土壤中含湿量低于15%对材料的应用不构成影响;粘土样品加固后外观色泽变化不大。

经现场实验对比后(图二),最终选择35%浓度的WB-1型丙酮溶液进行陶窑的现场加固,该浓度下的高分子加固保护材料渗透性能优越,粘接力及强度较高,而且基本没有树脂表面反迁富集现象。

(二)陶窑的加固保护性搬迁

搬迁工作当年夏季开始实施。为了遮阳挡雨,使陶窑加固和切割搬迁的工程顺利实施,在遗址现场因陋就简搭建了一个简易塑料大棚。陶窑的切割搬迁是利用鱼头锯(一种木工手锯)进行的。现场实验表明,鱼头锯在切割过程对土块(搬迁块)能产生较大震动并导致土块疏散松,若不对土块进行加固,则切割和搬迁几乎不可能完成。加固时采用喷涂和浇淋WB-1材料的方法进行。喷涂浇淋后再用多次喷打丙酮的方法以改善渗透性。陶窑内侧面由于具有一层较坚硬密实的烧结层,且大多数被加固表面是向斜下方内倾或垂直,所以仅能采用喷涂WB-1的方法进行加固,渗透深度较浅。

在陶窑内侧面用WB-1加固并支撑木架灌石膏防止塌方后,对陶窑窑体外部以及需保留的与陶窑相关的沟壁内侧进行了大面积取土减薄,以利于切割搬迁。取土后陶窑外侧表面距窑内侧面约5~10厘米;陶窑外侧面大多斜向上,故基本采用浇淋WB-1的方法进行加固,同时在被加固表面用钢锥扎眼(间隔5~10厘米)后注射或浇淋保护材料,渗透度较深(>5厘米),且固化后有铆固的作用。取土减薄后的陶窑,采用“三明治”夹层式的石膏加固后,手工将陶窑分块切割(图三),切割块再用“套箱法”装箱,之后安全运输到山西考古所侯马南山的文物库房进行修复。

陶窑切割严格按照预先制定的方案执行,切割块的大小以最小损伤陶窑结构并有利于切割的原则,并且充分考虑了搬迁能力。切割块大小是根据预先编制的工程草图确定,陶窑外壁立面和窑体切割块约50厘米见方,陶窑下部火道、火口及火膛的切割块约100厘米见方。整个陶窑的切割是从Y501上部开始进行,然后从西向东、从上向下逐层进行切割搬迁,最后在陶窑底部确定了Y501和Y502火膛各一个切割块作为今后保护修复时的定位块,并进行了定位的测量、记录。

为保障今后陶窑修复的顺利实施,在每一层每一切割块经过石膏加固后的外立面上,用记号笔并楔入钢钉进行标记,同时记录每一标记点与相邻切割块标记点的距离。当陶窑切割搬迁至火道层面和火膛底部层面时,在每一层的每一切割块表面,用地质罗盘进行了2点以上的水平定位。

二、陶窑加固保护修复

由于采用了WB-1加固保护材料、“三明治”夹层式石膏加固以及“套箱法”包装,陶窑切割块无一受损,使得陶窑的保护修复得以顺利进行。两年后,这批陶窑切割搬迁块在异地修复成功。

(一)保护修复材料的改进

WB-1型土质文物加固保护材料在强度和渗透性方面均达到了切割搬迁陶窑的要求,尤其在强度上是目前已知对土质文物加固实验所使用的材料中性能最优越的,但渗透性能方面存在一些值得探讨的现象:垂直渗透性能较高,水平渗透性能较差,毛细渗透现象几乎没有。另外,WB-1本身呈现浅黄色,尽管基本不影响被加固土质文物的外观,但尚未完全符合文物保护的要求。现场试验表明,WB-1在土壤含湿量低于15%,在气温20℃~35℃、相对湿度小于50%的气候条件宜于应用;在气温25℃~35℃、相对湿度45%条件下应用时效果最为理想。如果环境气温低于20℃或相对湿度高于50%时使用WB-1,土质文物表面会产生材料“析出”富集现象而使渗透性能下降,亦导致外表不美观的现象发生。

另外,由于陶窑搬迁中许多切割块未得到彻底加固,在开箱取块及复原搬运切割块的过程中极易造成这些切割块的破损,所以在陶窑修复的过程中仍需要使用高分子土质文物加固保护材料。所以,决定研制更好的土质文物加固保护材料。

复旦大学高分子科学系在WB-1型材料的基础上,又改进研制了WB-2型,其各项性能指标与WB-1型加固保护用高分子材料基本一致,主要在色泽和流动性方面要优于WB-1型,渗透深度上较WB-1也有所提高,但浇淋WB-2后仍需多次喷洒丙酮以避免加固材料的反迁富集。此外,环境相对湿度高于50%时无明显“析出”现象,但气温低于20℃时使用会使被加固土质文物表面产生富集现象,影响渗透效果且色泽加深,固化时间也相应延长2~3天。

(二)陶窑的修复

1998年秋初,在侯马南山的山西省考古研究所文物标本库房院内,开始了搬迁陶窑的修复。项目组技术人员利用直径10 厘米左右的钢管、木材和石棉瓦,搭建了防风吹雨淋的大棚,保障了修复复原工程的正常进行。

修复复原工作是从Y501陶窑的火膛底部开始的。整个陶窑的最底部是Y501陶窑的火膛底部,根据原Y501陶窑火膛的形状及其底部距工作面的高度,在选址点进行修复基槽的挖掘和处理。基槽底部恰好清理至砾石层,因而在砾石层上首先灌注一层厚约10~15cm的石膏浆基础并硬化处理,基础与火膛底部的切割搬迁块之间再次利用石膏浆充填加固,同时还具有一定的隔水防潮功能。

陶窑下半部分的切割搬迁块大多重达100余千克,为了保证陶窑文物的安全,选择用倒链缓慢吊装这些体积和重量都较大的陶窑切割搬迁块;倒链悬吊在大棚横梁上的活动钢管上,切割搬迁块即倒链的位置移动是依靠钢管的移动来实现。

与切割搬迁的过程相反,按照切割搬迁的测绘记录图,采取自下而上、从左(Y501)向右(Y502)的拼装修复过程。陶窑修复工程首先完成了已经做好基础的Y501陶窑火膛的修复,然后根据切割搬迁工程测绘记录图,同Y501陶窑火膛一样,将Y502陶窑火膛底定位并进行了修复,同时根据相邻切割块标记点的距离和地质罗盘的水平标记,修复了两座陶窑的火口和火道(图四)。

陶窑窑体修复工作,内侧切割遗留的缝隙连接处采用石膏色泥封补、外侧用砖围裹的方法进行,然后调制石膏浆浇注加固固结整个窑体(图五)。

最后,对陶窑文物位于沟壁一侧和顶部的外表面,使用与沟壁相同组成的粘土进行了表面处理,完成了陶窑文物的修复工作(图六)。

(三)陶窑修复后的现状

为了更加有利于陶窑的长久保护和保存,山西省考古研究所修建了封闭式的永久性保护建筑物,并在建筑物内部搭建了高层平台,供参观考察者从陶窑顶部观察研究。时至今日,经高分子材料加固性保护搬迁并异地修复的这两座新石器时代的连体陶窑,保持了考古发掘出土时的原貌,结构和外观依然保持了这两座新石器时代陶窑出土时的面貌。

三、结语

(一)WB-1型改性环氧树脂应用于山西垣曲宁家坡陶窑遗址搬迁中的加固保护,WB-2型在宁家坡陶窑的修复保护中继续得到应用,加固保护与修复效果良好,而且WB-1与WB-2成为陶窑搬迁与修复中不可缺少的环节。

(二)WB系列土质文物加固保护高分子材料具有较好的性能:

1.良好的渗透性。在密实度适中的土壤(d≈1.6)中,垂直渗透可达2厘米以上。

2.耐候性好。在-20℃到30℃温度变化范围内和相对湿度30%~95%、温度60℃的条件下,其收缩膨胀率低于1%。

3.耐老化性能高。热氧老化试验数据显示,室温下寿命超过100年。

4. 强度高。材料本身拉伸强度超过200kg/cm2,加固后的试样压缩强度也高于100kg/cm2。

5.较好的亲水性。土壤含湿量低于15%对材料的应用不构成任何影响。此外,该材料加固保护后具有良好的透气性,对毛细水的蒸发渗透不构成影响。

(三)宁家坡新石器时代陶窑的加固保护性搬迁与修复的成功,开创了结构性大型土质文物异地搬迁修复成功的先例,也为今后类似的工程实践提供了一个可资参考的实例。

附记:宁家坡新石器遗址出土陶窑的加固保护性搬迁与修复工作得到时任山西省考古研究所所领导的大力支持,考古工地负责人宋建忠、薛新明自始至终给予了大力帮助,山西省考古研究所技术人员田进明和考古技工牛秀平、冀保金、李全贵、宋小兵、石忠、田根虎、梁庆民等人均参加了这两座新石器时代陶窑的保护性搬迁与修复复原工作,在此一并致谢。

责编:荼荼

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