使用改性聚硅氧烷低聚物对花岗岩进行固结与表面防护以用于文化遗产修复

为何拯救石质纪念物至关重要

在全球各地，庙宇、崖刻和石像承载着早期文明的故事。在中国福建省，许多此类珍贵文物由花岗岩雕刻而成，这种岩石通常被认为坚硬且持久。然而酸雨、湿度和污染会逐渐侵蚀其表面，导致剥落、褪色和细节丧失。本研究探讨了一类新的保护性处理，旨在从内部加固受损花岗岩，同时温和地保护其表面，以期让这些文化地标在未来世代中保持稳定且可读。

花岗岩遗存面临的侵蚀机制

福建的花岗岩面临高湿度、多雨和频繁酸沉降的严苛组合。随着时间推移，雨水和空气中的污染物渗入石材的微小孔隙与裂缝。化学反应溶解矿物，而潮湿—干燥和冻融循环等物理应力则使矿粒松散破裂。其结果是表面变粉状、纹理模糊并出现剥落。保护工作者需要能够渗透到受损网络深处的处理剂，将松散的颗粒重新粘合、排斥水分，同时仍允许石材“呼吸”，以免水分被困在内部。

一种新的石材加固液体配方

研究人员测试了一类称为改性聚硅氧烷低聚物的材料，并将其与一种温和的溶剂D40混合。聚硅氧烷是基于硅的分子，能够渗入石材孔隙，然后形成一层薄而几乎不可见的网络，将矿粒结合在一起并排斥水分。配制了四种不同聚硅氧烷浓度的混合物，标为A（30%）、B（25%）、C（20%）和D（15%）。这些配方与一种广泛使用的商业产品S-130进行了比较。来自福建某采石场的花岗岩样块先经人工酸蚀以模拟真实文物的风化状况，然后涂敷测试溶液，并通过多种测量方法进行检测，包括硬度、超声波声速、颜色、光泽、水吸收和显微成像等。

测试揭示的强度与防护特性

每种混合物都显示出各自的优点。聚硅氧烷含量最高的A溶液渗透更深并构建了稳固的内部框架。对石材的硬度和声速测试表明，A显著改善了内部凝聚力，使曾经松散、风化的花岗岩变得更致密、更坚固。显微镜下，孔隙和微小裂缝部分被填充，但表面未形成厚重的硬壳，这一点对保持石材自然外观并允许水蒸气逸出至关重要。含聚硅氧烷较低、溶剂含量较高的D溶液更易流入细小空隙并在表面均匀铺展。它展现了出色的疏水性：处理过的样品吸水明显少于未处理样品，甚至少于涂有S-130的样品，同时颜色变化微小，肉眼几乎难以察觉。

实验室中抵御严酷气候的表现

为在短时间内模拟数十年的户外暴露，研究组对处理过和未处理的石块进行了强烈的“人工老化”循环测试。这些循环包括紫外光、高温高湿、酸碱浸泡、盐晶析以及反复的冻融。未经处理的花岗岩和商业产品在这些应力下均出现裂纹、表面粗化和矿物颗粒脱落。相比之下，新的聚硅氧烷混合物，尤其是D，表现出显著的耐久性。表面保持较为平滑，矿物的斑驳图样仍可辨认，显微成像显示新裂纹和矿物损失更少。硬度、内部声速和疏水性等指标与处理后值相比仅有轻微下降，表明保护网络在严苛条件下仍能存续。

一种适用于花岗岩遗产保护的实用配方

综合这些结果，作者提出了一种简明的两步现场应用策略。首先，多次涂布A溶液以深层加固受损花岗岩，将其松散的内部结构转变为更坚固、更连续的骨架。待其固化后，在表面涂覆薄薄一层D溶液，形成耐久的疏水表皮，同时仍允许水蒸气逸出并几乎不改变石材外观。实验室测试表明，这一组合可在福建严苛气候下同时稳定内部并保护外部。然而作者也强调，这些仍属早期结果：需要在影响较小的实物碑刻上进行长期试验，以确认该处理在户外的安全性和可预测性。如果这些试验成功，这一方法有望成为保持雕刻花岗岩遗产清晰、可读且结构稳定的有力工具。

引用: Liu, Y., Ke, Y., Wang, Y. et al. Consolidation and surface protection of granite using modified polysiloxane oligomers for cultural heritage restoration. Sci Rep 16, 8295 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38623-3

关键词: 花岗岩保护, 文化遗产, 岩石防护, 疏水涂层, 聚硅氧烷处理