摘要: 2018年1月8日，国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂举行。党和国家领导人、李克强、张高丽、王沪宁出席大会并为获奖代表颁奖。由敦煌研究院联合兰州大学、西北大学、中国文化遗产研究院和敦煌研究院文物保护技术服务中心共同完成的“干旱环境下土遗址保护关键技术研发与应用”获2017年度国家科学技术进步二等奖。本周刊重点介绍，与大家分享成果。土遗址是我国不可移动文物中最重要的遗存之一，主要保存于西北地区和丝绸之 ...

2018年1月8日，国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂举行。党和国家领导人、李克强、张高丽、王沪宁出席大会并为获奖代表颁奖。由敦煌研究院联合兰州大学、西北大学、中国文化遗产研究院和敦煌研究院文物保护技术服务中心共同完成的“干旱环境下土遗址保护关键技术研发与应用”获2017年度国家科学技术进步二等奖。本周刊重点介绍，与大家分享成果。

土遗址是我国不可移动文物中最重要的遗存之一，主要保存于西北地区和丝绸之路沿线，在时空上具有历史跨度大、分布范围广等特点，如长城、玉门关、交河故城、西夏陵、元上都等。土遗址是中华民族生生不息发展壮大的实物标本，是传承和弘扬中华传统文化的历史根脉，是中西文化交流与融合的重要历史见证，是实现“一带一路”的桥梁和纽带。土遗址长期遭受风蚀、雨蚀、冻融、地震等多种自然营力作用和人类活动影响，出现了坍塌、掏蚀、开裂、表面风化剥离等多种病害。世界范围内的土遗址保护缺乏学术框架和技术体系，探索既能保持其原状和全部信息、又能防止结构性破坏、提高抗风化能力的保护技术与装备，是保护工作面临的巨大挑战。

自1992年以来，为配合抢救性保护重要古迹遗址的国家任务，以敦煌研究院为代表的研究团队，联合国内多所高等院校和科研院所，经过20多年坚持不懈的努力，形成了我国干旱环境下土遗址保护基础理论，发明了系列保护加固材料，研发了成套保护专用技术和装备，实现了保护的科学化和规范化，成功保护了我国一大批具有重要价值的土遗址，培养和支撑了多支活跃于我国土遗址保护领域的专业技术研发和工程实践队伍，充分发挥了示范和引领作用，逐步形成了具有一定规模的土遗址保护行业。

土遗址的主要病害

项目的主要科技创新

1．形成了干旱环境土遗址保护基础理论

项目首次给出了土遗址保护的术语体系和科学内涵，揭示了多场耦合作用下土遗址病害的形成机理与演化模式，建立了包括现状评估、保护材料与工艺筛选、效果评价等内容的测试检测方法，系统制订了科学的土遗址保护工作程序和勘察、设计、试验的技术标准规范。

（1）首次给出了土遗址保护领域的术语体系和科学内涵，提出了病害分类评估体系和方法。

科技名词术语的规范化是国家科技发展和文化传承的一项系统性工程。文物保护属自然和人文交叉的综合应用学科，从不同专业借用的相关名词和术语很不统一，严重制约着土遗址保护行业发展和学科构建。研发团队通过对全国土遗址系统调查，以专著和标准的形式，首次给出了土遗址保护领域的术语体系和科学内涵。

采用致病因素、表现形式、形成机理三级分类标准，将土遗址病害总结归纳为2类7亚类19种，科学界定了不同类型病害特征及表现形式，提出了病害图示方法，形成了土遗址病害调查与现状图绘制方法，实现了土遗址保护工程勘察设计的标准化。基于层次分类评价和模糊数学原理，将地质灾害和遗址病害风险作为土遗址现状评估顶层架构。地质灾害借助岩土工程和地质工程的成熟理论和方法进行风险评估。引入风化率、风险等级等指标预测遗址病害发展趋势，得出科学的评估结论和保护对策。

（2）揭示了多场耦合作用下土遗址病害的形成机理与演化模式。

土遗址保护技术难以突破的关键是病害机理不够清楚。通过对干旱环境土遗址的病害调查和试验，从温度场-水盐场-气流场耦合的角度，深入开展了土遗址干湿循环和冻融循环下的风蚀和雨蚀耐久性，土体结构劣化条件下的风蚀、雨蚀质量损耗，赋存环境对遗址体长期服役性能影响和评估，土遗址盐害类型与分布、表部聚盐机制和盐害阈值，遗址结皮类型成因及演化模式等研究。首次从病害演化动力学角度，提出了土质文物老化劣化-损耗说、本体与环境因子相互作用概念模型，从土遗址材料功能退化的角度建立了土遗址劣化理论框架体系，揭示了病害发育机理与演化模式，为保护技术的研发提供了科学依据和理论支撑。

土遗址风蚀、雨蚀机理研究

在病害机理研究的基础上，通过探讨丝绸之路沿线区域气候、地形地貌和地质环境等自然因素时空分布特征和演化规律，深入研究了丝绸之路自然环境和灾害类型对古遗址可能造成的风险，揭示了环境要素与遗址保存之间的联系和作用过程，为丝绸之路沿线遗址保护提供了学术支撑。

（3）建立了包括现状评估、保护材料与工艺筛选、效果评价等内容的测试检测方法。

测试检测手段和方法的欠缺使土遗址保护研究难以深入。研发团队引入便携式显微镜、声波仪、面波仪、红外热像仪、高密度电阻率仪、TDR、微型硬度计等无损（微损）仪器设备，研发了定量表征土遗址风蚀、雨蚀、冻融和温湿循环特性的专用设备，以及微电极排和热传导测试装置，用于土遗址现状评估、保护材料与工艺筛选和效果评价，形成相关测试检测方法，拓宽了土遗址分析和测试手段，成果成功支撑了我国首部土遗址行业试验技术标准的编制。

（4）系统制订了土遗址科学的保护工作程序和勘察、设计、试验的技术标准规范。

面对国内外没有土遗址保护相关标准规范可借鉴的实际，研发团队通过总结土遗址保护研究与实践，首次完成了《土遗址保护勘察规范》《土遗址保护试验规范》《干燥类土遗址保护加固设计规范》等行业相关技术标准的编制，编著了我国首部岩土类遗址保护工程档案编写工具书，规范了我国土遗址保护与实践，确保了重大土遗址保护工程的成功实施，同时可为其它类型文物保护工程提供技术示范。

土遗址科学的保护工作程序和勘察、设计、试验的技术标准规范的建立，对我国干旱环境土遗址保护的科学化、规范化及推广应用意义重大。自国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心成立以来，先后在宁夏、新疆、内蒙、西藏、河南、河北、山西七省（区）设立了技术推广工作站，通过共同开展需求分析，以技术研发指导工程实践，以工程实践反馈技术问题，通过多学科交叉和产学研结合，总结出了一套科学的土遗址保护程序和方法，构建了文物保护产学研链条式发展新模式。通过技术授权和技术指导，先后为11家文物保护工程勘察设计甲级资质、施工一级资质的企业提供了技术支撑，培养文物保护一线专业工匠1000多人，成果应用于113项全国重点文物保护工程，全面提升了我国土遗址保护的科技含量和整体水平。

2.发明了干旱环境土遗址系列保护加固材料

研发了以PS材料、水气两硬改性料礓石等为代表的系列无机保护加固材料，满足了土遗址保护最小干预、最大兼容和长期服役的特殊需求，解决了长期以来我国土遗址保护领域缺乏适宜材料的难题。

保护加固材料是制约土遗址保护技术发展的难点和瓶颈。土遗址的露天保存环境和文物特殊需求，决定了应首选与遗址土性及赋存环境兼容的加固材料。

（1）PS加固材料的研发。

针对干旱环境下土遗址风蚀、雨蚀病害，通过大量室内和现场试验，研发出了最佳模数3.8的PS防风化材料（高模数硅酸钾溶液）。研究证明，遗址土经PS材料加固后，土中的矿物变为晶体和非晶混合物，PS材料中的硅醇基与矿物羟基发生缩合反应，将松散颗粒粘结成较大团粒，在不减小遗址土体有效孔径和保持土体表面质感的同时，形成一种致密的网状结构，并通过化学键合作用形成整体联接，将遗址土的抗风化损耗能力提高6倍以上。引入非饱和土理论，首次确定遗址土在3%～9%含水率范围内渗透能力最强，25℃为最理想施工温度。通过PS材料入渗特性研究，量化了渗透深度，揭示了渗透加固机理，科学界定了PS材料加固干旱环境土遗址的适用范围，成功解决了长期困扰土遗址风蚀、雨蚀病害防治的难题。

PS材料加固遗址土实验研究

（2）水气两硬改性料礓石等系列加固材料的研发。

针对导致土遗址坍塌、掏蚀、开裂等毁灭性病害，通过对我国大地湾遗址已有6000多年历史“仰韶水泥”的科学认知，以传统建筑材料料礓石和阿嘎土为原料，开展系列温度（700℃～1400℃）烧料礓石、阿嘎土等矿物组成及固结机理研究，找到了控制产物中水硬组分和气硬组分含量的最佳焙烧温度和时间，研发出了具有水气两硬特性，且强度可调、兼容性好和耐候性强等优点的改性料礓石和改性阿嘎土。基于相同原理，以灰白色泥灰岩、土黄色泥灰岩和蛎灰等为原料，研发出了加固不同色质和强度的岩土质文物系列无机加固材料。通过筛选试验，在不改变遗址外观和质感的前提下，添加5%改性材料后，收缩率降低了32%，抗风蚀雨蚀能力提高了近6倍，满足了支顶加固的要求；以系列改性材料为主剂，配以遗址土、石英砂、粉煤灰等填料的灌浆材料，满足了锚固、裂隙充填的要求。

水汽两硬材料研制

以上保护材料的成功研发，解决了长期以来我国土遗址保护领域缺乏适宜材料的难题。

3.研发出了干旱环境土遗址保护成套技术与装备

研发的基于传统材料与工艺的支顶加固技术、楠竹加筋复合锚杆等系列锚杆锚固技术、以PS和改性料礓石为主剂的灌浆材料与工艺，解决了坍塌、掏蚀、开裂所导致的土遗址毁灭性破坏的难题；研发的以喷渗、滴渗为主要工艺的表面防风化加固技术，解决了防止遗址表面渐进式劣化的难题，满足了文物保护不改变原状和原址保护的原则，实现了遗址真实性、完整性和延续性的保护目标。

（1）土遗址支顶加固技术与专用装备研发。

土遗址支顶加固主要有土坯砌补加固和夯筑加固两种方式。通过大量现场调查和研究，科学解读了建造材料与工艺，提出了遗址土成分、级配、添加材料、营造技法等支顶加固技术的主要控制参数，最大限度满足了原材料与原工艺的要求。通过使用系列水气两硬改性材料、柔性拉接材料，优化构筑技法，逐步研发出符合工程化要求的系列支顶加固施工工艺和专用装备。引入便携式显微镜、硬度仪、电导率仪、改进微型回弹仪、色度计、微型贯入仪、热成像仪，自主研制现场抗风蚀和雨蚀性能测试专用装备，形成了土遗址支顶加固质量评估的相关设备与方法，解决了掏蚀、坍塌所导致的土遗址产生毁灭性破坏的难题。

支顶加固技术与专用装备研发

（2）土遗址锚固技术与专用装备研发。

锚固技术的优势是在解决遗址土体稳定性的同时，最大限度保留了遗址的历史沧桑感。为解决不同体量和破坏模式遗址危土体稳定性，研发了微型竹签锚杆、木锚杆、楠竹锚杆、楠竹加筋复合锚杆、碳纤维布复合锚杆、玻璃纤维锚杆等系列锚杆及与锚固力匹配的锚固浆液。尤其是使用多种复合材料，成功研发出了多界面应力缓变的楠竹加筋复合锚杆，优化了锚固系统应力分布，解决了因杆体与锚固土体强度悬殊所导致的高陡遗址危土体应力集中、锚固失效的问题。基于锚固拉拔试验和界面应变监测，系统研究了不同类型锚杆的工作机制、剪滑模型、极限锚固力等，确定了不同类型锚杆的适用范围、匹配浆液和施工工艺。研发了土遗址专用钻机、注浆机等装备，提升了土遗址锚固技术的工程化水平。二次研发和改进了无损锚杆检测仪、拉拔仪和锚固危土体稳定性监测系统，实现了土遗址锚固效果的检测与评价。

土遗址锚固工艺

（3）土遗址灌浆加固技术与专用装备研发。

裂隙是威胁遗址结构安全和长期稳定的潜在隐患。通过灌浆材料筛选和现场试验，研发了以PS材料或改性料礓石为主剂，掺加一定比例和级配的遗址土、石英砂、粉煤灰等为填料的系列灌浆材料，通过对水灰比、主剂含量等关键参数的控制，实现了浆液结石体强度和凝结速度可调，并与遗址土体不同类型裂隙匹配的灌浆需求。针对不同类型裂隙，研发了数显式注射器、手动灌浆机、电动灌浆机等压力可调的系列专用灌浆设备和工艺。采用红外热像仪、声波仪、地震波仪、高密度电法仪等无损检测设备，形成了检测浆液流向、密实度、界面结合度等灌浆效果的评估方法和标准。

土遗址灌浆工艺及效果检测

（4）表面防风化技术与专用装备研发。

表面风化是造成遗址价值和历史信息流失的最主要病害。在PS加固材料成功研发的基础上，通过大量现场试验，研发了不同类型表面风化病害的加固方法与工艺，得出PS材料的适宜浓度与施工工艺。针对盐害较严重部位，开展了土遗址盐害阈值及脱盐方法研究，研制了专门脱盐装置与加固方法，解决了防治遗址土体盐分富集区风化的难题。二次研发或改进了热传导仪、红外热成像仪、便携式数码显微镜和微电极排等多种无损检测装置，进行遗址土体加固前后的热物理参数、电磁性能、微观结构、亲水和憎水性能等多因子综合评价，形成了土遗址保护现场检测方法。

土遗址防风化工艺及效果检测

成果推广与应用前景

研发团队经过20多年不懈努力，形成了我国干旱环境土遗址保护基础理论，发明了系列保护加固材料，研发了成套保护专用技术和装备，实现了保护的科学化和规范化，逐步形成了具有一定规模的土遗址保护行业，引领国际土遗址保护的发展方向。

项目成果授权发明专利23件，实用新型专利16件，出版专著11部，形成行业技术标准3项，项目研究成果已应用于甘肃、新疆、内蒙古、宁夏、青海、陕西、山西、河北、天津、吉林10省（区）113项全国重点文物保护工程的勘察、设计或施工中，并授权甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司、兰州河陇文化遗产规划设计有限公司、敦煌研究院文物保护技术服务中心、敦煌市第二建筑工程公司、河北文物保护中心、西安文物保护修复工程有限公司、北京凯莱斯建筑工程有限公司、中铁西北科学研究院有限公司、甘肃中铁建设工程有限公司、内蒙古启原文物古建筑修缮工程有限责任公司和辽宁有色基础工程公司11家具有国家文物局颁发的文物保护工程勘察设计甲级资质或施工一级资质的单位使用。使用该技术成果实施的保护工程先后荣获全国十大（佳）文物保护工程7项，其中交河故城加固工程被誉为“土遗址保护的范例”。

该成果的成功研发与应用，阻止了坍塌、掏蚀、开裂等病害引起的土遗址毁灭性破坏，减缓了其表面风化剥离导致的渐进式劣化，确保了土遗址的安全和有效利用，为科技与文化的深度融合发挥了引领和示范作用，直接保障了元上都遗址、丝绸之路成功申报为世界文化遗产。

目前，研发团队正承担吉尔吉斯斯坦土遗址保护的前期技术性准备文件编制，相信随着项目的深入开展，研发成果必将对丝绸之路沿线中亚的土遗址保护发挥重要作用，为“一带一路”沿线国家文明互鉴、民心相通做出新的更大的贡献。

主要完成单位：敦煌研究院、兰州大学、西北大学、中国文化遗产研究院、敦煌研究院文物保护技术服务中心

主要完成人：王旭东、李最雄、谌文武、张虎元、郭青林、孙满利、李黎、赵林毅、裴强强、张景科