航空有机玻璃在白鹤梁题刻水下参观廊道的应用

　　摘要:白鹤梁水下题刻没于长江水下近40m，其保护和展示利用方式特殊，对水下观察窗玻璃抗压强度等各方面性能要求高。文章介绍了在YB-3基础上优化制作工艺，研制出具有抗压强度高、透光性好、抗冲击性强、使用寿命长的航空有机玻璃应用于白鹤梁题刻水下保护和展示利用，是我国对水下文物保护特别是水下文物原址展示的科技手段的突破，这一创新性的应用将为更多的水下文化遗产保护与利用提供借鉴。

　　关键词：航空有机玻璃;工艺优化;题刻保护;展示利用

　　白鹤梁题刻是三峡大坝工程中最重要的文物抢救保护项目之一。2003年至2009年，国家采用了“无压容器”方案对题刻进行原址水下保护。工程历时7年，耗资2.1亿元，建成了目前世界唯一的水下遗址博物馆。博物馆分地面陈列馆和水下题刻参观区，观众参观完地面陈列馆后，乘坐90m长的扶梯进入长江江底，向江心步行147m进入水下题刻参观区，通过参观廊道23个观察窗近距离观赏白鹤梁千年题刻，达到参观高潮，这样的呈现方式是不同于国内外其他文物保护工程的核心价值所在。

　　2013年2月，参观廊道部分观察窗玻璃发现有不规则的丝状。经相关专业机构到现场多次检验分析，初步判断上述现象为“银纹”，其原因为玻璃长期受水下20～38m的压力、水体腐蚀等，玻璃结构抗压能力减弱形成的玻璃裂纹早期现象。任其发展，不但影响题刻的观赏效果，更为严重的是存在重大安全隐患，观察窗玻璃一旦破裂，整个参观廊道被淹没，白鹤梁题刻保护工程将付之一炬。为解决这一问题，确保白鹤梁水下博物馆可持续发展，白鹤梁水下博物馆与锦西化工研究院开展合作，结合白鹤梁题刻保护展示实际，研发具有抗压强度高、透光性好、抗冲击性强、使用寿命长的航空有机玻璃。

　　以期提升题刻在水下的观赏效果，消除白鹤梁题刻参观廊道玻璃存在的安全隐患，确保水下参观安全和国家财产安全，解决制约白鹤梁水下博物馆正常开放的重大瓶颈，让这座世界上唯一的原址保护水下题刻能继续呈现在世人面前。

　　1白鹤梁题刻展示方式选择

　　三峡水库建成蓄水后，白鹤梁题刻位于最低蓄水的水位以下，保护白鹤梁题刻的思路主要有两种：一种是就地加固原址保护;另一种是切割搬迁异地保护。从长江三峡文物抢救保护工程开始启动以来，专家们先后提出过多种保护方案，并进行了长达10年的论证。水下原址保护方案的共同点都是原址原样、原环境保护。根据国内国际文化遗产保护界普遍遵循的保护原址，作为水文遗产的白鹤梁题刻不应离开它原来的位置，不应脱离它赖以存在的江水环境，原址保护成为保护白鹤梁题刻的基本前提条件。此处笔者仅对水下加固原址保护的方案进行论述。

　　1.1“水晶宫”方案

　　该方案为天津大学1996年初构拟的白鹤梁题刻保护展示方案。方案的基本思路是：在白鹤梁题刻的中心区构建水下展厅，并通过水下通道等方式与地面陈列馆相连，使参观者可进入水下展厅从而参观白鹤梁题刻，达到水下原址保护、展示和研究的目的。该方案包括两种具体设计方案：一种双层拱式的压力覆室;另一种蜂巢格式的压力覆室。二者都是在白鹤梁题刻集中区覆罩混凝土耐压覆室进行重点保护和展示，其余散布的零星题刻则采用原地“封护”的方式在水中原址保护。此外，两种方式在水下展示厅与地面展示厅的连接方式和其他辅助建筑的设计也有不同。采用这种方案，观众可以在覆室内无区隔地近距离观察题刻，获得与参观地面博物馆展品相同的观赏效果。

　　1.2“无压容器”方案

　　该方案是在2001年由葛修润院士提出了具有创新性意义的“无压容器”原址水下保护概念。其基本构想是将白鹤梁题刻原址保护体看作一个容器，其内注满清水，作用在水下保护体外面的水压力压强与内壁面上的水压力压强相同，或只差很小的量。也就是说，保护体内有水，且压力强度与当时作用在外壁面上的长江水压力压强同步变化。

　　采用这种方案，白鹤梁题刻将处在无压的保护体中，保护体内外采用专设的平压循环水系统，保持保护体内水压与外部的江水压力平衡，题刻处于平压状态，水下保护壳体结构亦处于内外水压平衡的工作状态，只承受外江风浪力与若干年后水库淤积作用于外侧的压力、自重载荷和地震力，且具有可修复性。在遗产展示方面，该方案拟修建一条耐压水下交通廊道通过无压覆室，游人通行于参观廊道中，透过耐压玻璃或水下摄像系统实时观赏清水中的白鹤梁题刻。

　　“水晶宫”方案尽管是保护和展示白鹤梁题刻较为理想的方式，但该方案面临工程技术和建设成本的巨大挑战;有压覆室的保护壳将承受近40m水压力、压强;岩基与壳体的密封处理需采用高压灌浆，极难处理;长期的渗流可能导致白鹤梁薄砂岩层毁坏;水下施工周期长，时间紧迫，投资费用高，对航道和防汛的影响大。“无压容器”方案通过循环水系统保持壳体内外水压平衡，克服了水下题刻原址保护锁面临的不良地质和航运等方面的不利因素，保护壳体结构简单、经济，且可修复。“无压容器”方案虽然在展示上较“水晶宫”方案有所限制，但参观者可通过参观廊道23个观察窗或通过水下实时摄像系统随时观看白鹤梁题刻。经专家反复研究论证，最终选择了“无压容器”方案。

　　2技术路线

　　要在水下将近40m处展示白鹤梁题刻，其核心在于23个玻璃窗，设置的23个观察窗采用双层亚克力玻璃结构，共46张。内窗玻璃直径为825mm，厚度88mm;外窗玻璃直径为790mm，厚度为84mm，由于白鹤梁观察窗常年在近40m的高压水环境下，其板材厚度在95mm左右，在聚合过程中传热非常困难，其关键技术是如何利用聚合动力学、传热规律研究及聚合微观结构研究材料性能影响规律，通过复合引发剂种类的选择、引发剂用量调整、水浴聚合工艺优化，提高板材的聚合成功率和聚合效率。

　　甲基丙烯酸甲酯的聚合是一个典型的自由基连锁聚合反应，属于放热反应。分为链引发、链增长和链终止3个过程，其中链引发为吸热过程，链增长为放热过程，聚合效果主要取决于这两个过程。所以引发体系的选择、聚合工艺参数(温度等)的控制，对聚合成败起着关键的作用。结合MMA本体聚合的聚合动力学及放热规律、引发体系、聚合工艺等对原板大分子微观交联结构影响的研究成果，以及板材微观交联结构对材料性能影响的研究成果，先后对引发体系、聚合温度控制等聚合工艺进行了优化。

　　2.1引发剂种类及其用量的优化

　　在YB-3有机玻璃水浴厚板批量生产的基础上，同时借鉴引发体系对原板大分子微观交联结构影响的研究成果，95mm厚轻度交联有机玻璃的引发体系采用过氧化二碳酸酯、偶氮二异庚腈和偶氮二异丁腈复合引发体系，在聚合初期先由过氧化二碳酸酯分解引发聚合，然后由偶氮二异庚腈和偶氮二异丁腈引发聚合，从而使体系得以均匀聚合。在确保板材聚合成功率和板材理化性能的前提下，通过对引发剂用量的多次调整，解决了厚板聚合时间长、成功率低的难题，提高了聚合成功率。

　　2.2低温聚合温度选择

　　在引发剂种类和用量一定的前提下，聚合温度是影响聚合速度的又一个关键因素。经过前期仿真计算和试验，确定了95mm有机板材的水浴聚合温度为：30℃维持12h、28℃维持48h、26℃维持24h、24℃维持至体系变硬，去边后进高温烘房升温处理，这样既缩短了聚合时间又容易控制。在高温烘房升温过程中，为解决有机炸板问题，保证聚合成功率，经过多次试验分析，确定了升降温条件。

　　2.3升、降温速度选择

　　(1)升温条件：板材去边后，进入高温风浴烘房，40℃维持2h后，在8.5h内均匀升至125℃，且维持5h。(2)降温条件：在2h内由125℃均匀降至100℃，维持2h;在1h内由100℃均匀降至90℃，维持2h;在1h内由90℃均匀降至80℃，维持2h;在1h内由80℃均匀降至70℃，维持1h;在1h内由70℃均匀降至60℃，维持1h，经2h将温度均匀降至40℃后停止。按此工艺制备出95mm厚交联有机玻璃原板成功率达到95%，主要技术参数均达到技术指标要求。

　　3解决的实际问题

　　航空有机玻璃的工艺优化，解决了白鹤梁题刻水下保护工程与题刻水下保护和展示利用的主要问题：①满足了白鹤梁水下参观廊道玻璃窗在长江水下38m处的技术要求，新使用的航空有机玻璃抗压强度高、抗冲击性强，消除了白鹤梁题刻保护工程原参观廊道玻璃存在的安全隐患;②新应用玻璃具有更好的透光性，提升了题刻在水下的辨识度和整体观赏效果;③新应用玻璃抗衰性能较好，使用寿命长，延长了玻璃更换的周期，减少了题刻保护工程维护成本;④创造了国内外同类保护工程水中更换玻璃先例，解决了今后观察窗玻璃清洗、更换重大技术难题;⑤解决了制约白鹤梁水下博物馆正常开放的重大瓶颈。

　　4应用情况

　　有机玻璃自2015年4月验收运行至今，白鹤梁题刻观察窗状况良好，未发现任何银纹。其良好的抗压强度、透光性、抗冲击性，大大提升了题刻的辨识度和观赏效果，得到观众的普遍认可。不再因玻璃泛黄、透光性弱等原因，无法看清水中题刻，比如有机玻璃更换之前观赏较为模糊的清康熙二十四年的双鲤石鱼，现在透过玻璃窗清晰可见，白鹤梁水下博物馆也未再像过去因水中题刻辨识不清停止对外开放，较更换前观赏效果明显提升。清晰的观赏效果使得需潜水员进入保护体清洗题刻的次数降低。

　　过去题刻平均每2个月需清洗1次，在2015年5月开馆后，仅需9月清洗1次，大大延长了题刻的清洗周期。既降低了白鹤梁题刻的维护成本，更减少了因人为清洗对题刻的影响。此种航空有机玻璃还能在航空、水族馆等领域广泛应用。

　　5结束语

　　创造性地将航空专用有机玻璃应用于白鹤梁水下题刻的保护和展示利用，这既是科学技术与水下文物保护相结合的一种新方式，也是水下施工作业的一次巨大挑战。临水面玻璃更换需在长江水下20～38m的题刻保护体内进行，潜水员水下施工难度大、风险高，在国内外无同类工程经验可借鉴。航空有机玻璃在白鹤梁题刻保护的应用，是我国对水下文物保护，特别是水下文物原址展示的科技手段的突破。随着国外埃及水下博物馆、墨西哥水下雕塑博物馆的建成以及《威尼斯宪章》中对文物就地保护的提出，各国对水下文化遗产更加重视，未来对水下文物需要全面的保护、展示及利用，这一创新性的应用将为更多的水下文化遗产保护与利用提供借鉴。

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