航空有機玻璃水下參觀廊道的應用

航空有機玻璃水下參觀廊道的應用航空有機玻璃水下參觀廊道的應用 2019/03/18 摘要:白鶴梁水下題刻沒于長江水下近40m，其保護和展示利用方式特殊，對水下觀察窗玻璃抗壓強度等各方面性能要求高。文章介紹了在YB-3基礎上優(yōu)化制作工藝，研制出具有抗壓強度高、透光性好、抗沖擊性強、使用壽命長的航空有機玻璃應用于白鶴梁題刻水下保護和展示利用，是我國對水下文物保護特別是水下文物原址展示的科技手段的突破，這一創(chuàng)新性的應用將為更多的水下文化遺產(chǎn)保護與利用提供借鑒。關鍵詞：航空有機玻璃；工藝優(yōu)化；題刻保護；展示利用白鶴梁題刻是三峽大壩工程中最重要的文物搶救保護項目之一。2003年至2009年，國家采用了“無壓容器”方案對題刻進行原址水下保護。工程歷時7年，耗資2.1億元，建成了目前世界唯一的水下遺址博物館。博物館分地面陳列館和水下題刻參觀區(qū)，觀眾參觀完地面陳列館后，乘坐90m長的扶梯進入長江江底，向江心步行147m進入水下題刻參觀區(qū)，通過參觀廊道23個觀察窗近距離觀賞白鶴梁千年題刻，達到參觀高潮，這樣的呈現(xiàn)方式是不同于國內(nèi)外其他文物保護工程的核心價值所在。2013年2月，參觀廊道部分觀察窗玻璃發(fā)現(xiàn)有不規(guī)則的絲狀。經(jīng)相關專業(yè)機構到現(xiàn)場多次檢驗分析，初步判斷上述現(xiàn)象為“銀紋”，其原因為玻璃長期受水下2038m的壓力、水體腐蝕等，玻璃結構抗壓能力減弱形成的玻璃裂紋早期現(xiàn)象。任其發(fā)展，不但影響題刻的觀賞效果，更為嚴重的是存在重大安全隱患，觀察窗玻璃一旦破裂，整個參觀廊道被淹沒，白鶴梁題刻保護工程將付之一炬。為解決這一問題，確保白鶴梁水下博物館可持續(xù)發(fā)展，白鶴梁水下博物館與錦西化工研究院開展合作，結合白鶴梁題刻保護展示實際，研發(fā)具有抗壓強度高、透光性好、抗沖擊性強、使用壽命長的航空有機玻璃。以期提升題刻在水下的觀賞效果，消除白鶴梁題刻參觀廊道玻璃存在的安全隱患，確保水下參觀安全和國家財產(chǎn)安全，解決制約白鶴梁水下博物館正常開放的重大瓶頸，讓這座世界上唯一的原址保護水下題刻能繼續(xù)呈現(xiàn)在世人面前。1白鶴梁題刻展示方式選擇三峽水庫建成蓄水后，白鶴梁題刻位于最低蓄水的水位以下，保護白鶴梁題刻的思路主要有兩種：一種是就地加固原址保護；另一種是切割搬遷異地保護。從長江三峽文物搶救保護工程開始啟動以來，專家們先后提出過多種保護方案，并進行了長達10年的論證。水下原址保護方案的共同點都是原址原樣、原環(huán)境保護。根據(jù)國內(nèi)國際文化遺產(chǎn)保護界普遍遵循的保護原址，作為水文遺產(chǎn)的白鶴梁題刻不應離開它原來的位置，不應脫離它賴以存在的江水環(huán)境，原址保護成為保護白鶴梁題刻的基本前提條件。此處筆者僅對水下加固原址保護的方案進行論述。1.1“水晶宮”方案該方案為天津大學1996年初構擬的白鶴梁題刻保護展示方案。方案的基本思路是：在白鶴梁題刻的中心區(qū)構建水下展廳，并通過水下通道等方式與地面陳列館相連，使參觀者可進入水下展廳從而參觀白鶴梁題刻，達到水下原址保護、展示和研究的目的（圖1）。該方案包括兩種具體設計方案：一種雙層拱式的壓力覆室；另一種蜂巢格式的壓力覆室。二者都是在白鶴梁題刻集中區(qū)覆罩混凝土耐壓覆室進行重點保護和展示，其余散布的零星題刻則采用原地“封護”的方式在水中原址保護。此外，兩種方式在水下展示廳與地面展示廳的連接方式和其他輔助建筑的設計也有不同。采用這種方案，觀眾可以在覆室內(nèi)無區(qū)隔地近距離觀察題刻，獲得與參觀地面博物館展品相同的觀賞效果。1.2“無壓容器”方案該方案是在2001年由葛修潤院士提出了具有創(chuàng)新性意義的“無壓容器”原址水下保護概念。其基本構想是將白鶴梁題刻原址保護體看作一個容器，其內(nèi)注滿清水，作用在水下保護體外面的水壓力壓強與內(nèi)壁面上的水壓力壓強相同，或只差很小的量。也就是說，保護體內(nèi)有水，且壓力強度與當時作用在外壁面上的長江水壓力壓強同步變化。采用這種方案，白鶴梁題刻將處在無壓的保護體中，保護體內(nèi)外采用專設的平壓循環(huán)水系統(tǒng)，保持保護體內(nèi)水壓與外部的江水壓力平衡，題刻處于平壓狀態(tài)，水下保護殼體結構亦處于內(nèi)外水壓平衡的工作狀態(tài)，只承受外江風浪力與若干年后水庫淤積作用于外側(cè)的壓力、自重載荷和地震力，且具有可修復性。在遺產(chǎn)展示方面，該方案擬修建一條耐壓水下交通廊道通過無壓覆室，游人通行于參觀廊道中，透過耐壓玻璃或水下攝像系統(tǒng)實時觀賞清水中的白鶴梁題刻（圖2）。水壓力、壓強；巖基與殼體的密封處理需采用高壓灌漿，極難處理；長期的滲流可能導致白鶴梁薄砂巖層毀壞；水下施工周期長，時間緊迫，投資費用高，對航道和防汛的影響大?！盁o壓容器”方案通過循環(huán)水系統(tǒng)保持殼體內(nèi)外水壓平衡，克服了水下題刻原址保護鎖面臨的不良地質(zhì)和航運等方面的不利因素，保護殼體結構簡單、經(jīng)濟，且可修復。“無壓容器”方案雖然在展示上較“水晶宮”方案有所限制，但參觀者可通過參觀廊道23個觀察窗或通過水下實時攝像系統(tǒng)隨時觀看白鶴梁題刻。經(jīng)專家反復研究論證，最終選擇了“無壓容器”方案。2技術路線要在水下將近40m處展示白鶴梁題刻，其核心在于23個玻璃窗，設置的23個觀察窗采用雙層亞克力玻璃結構，共46張。內(nèi)窗玻璃直徑為825mm，厚度88mm；外窗玻璃直徑為790mm，厚度為84mm，其優(yōu)化工藝如圖3所示。由于白鶴梁觀察窗常年在近40m的高壓水環(huán)境下，其板材厚度在95mm左右，在聚合過程中傳熱非常困難，其關鍵技術是如何利用聚合動力學、傳熱規(guī)律研究及聚合微觀結構研究材料性能影響規(guī)律，通過復合引發(fā)劑種類的選擇、引發(fā)劑用量調(diào)整、水浴聚合工藝優(yōu)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個典型的自由基連鎖聚合反應，屬于放熱反應。分為鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止3個過程，其中鏈引發(fā)為吸熱過程，鏈增長為放熱過程，聚合效果主要取決于這兩個過程。所以引發(fā)體系的選擇、聚合工藝參數(shù)（溫度等）的控制，對聚合成敗起著關鍵的作用。結合MMA本體聚合的聚合動力學及放熱規(guī)律、引發(fā)體系、聚合工藝等對原板大分子微觀交聯(lián)結構影響的研究成果，以及板材微觀交聯(lián)結構對材料性能影響的研究成果，先后對引發(fā)體系、聚合溫度控制等聚合工藝進行了優(yōu)化。2.1引發(fā)劑種類及其用量的優(yōu)化在YB-3有機玻璃水浴厚板批量生產(chǎn)的基礎上，同時借鑒引發(fā)體系對原板大分子微觀交聯(lián)結構影響的研究成果，95mm厚輕度交聯(lián)有機玻璃的引發(fā)體系采用過氧化二碳酸酯、偶氮二異庚腈和偶氮二異丁腈復合引發(fā)體系，在聚合初期先由過氧化二碳酸酯分解引發(fā)聚合，然后由偶氮二異庚腈和偶氮二異丁腈引發(fā)聚合，從而使體系得以均勻聚合。在確保板材聚合成功率和板材理化性能的前提下，通過對引發(fā)劑用量的多次調(diào)整，解決了厚板聚合時間長、成功率低的難題，提高了聚合成功率。2.2低溫聚合溫度選擇在引發(fā)劑種類和用量一定的前提下，聚合溫度是影響聚合速度的又一個關鍵因素。經(jīng)過前期仿真計算和試驗，確定了95mm有機板材的水浴聚合溫度為：30維持12h、28維持48h、26維持24h、24維持至體系變硬，去邊后進高溫烘房升溫處理，這樣既縮短了聚合時間又容易控制。在高溫烘房升溫過程中，為解決有機炸板問題，保證聚合成功率，經(jīng)過多次試驗分析，確定了升降溫條件。2.3升、降溫速度選擇(1)升溫條件：板材去邊后，進入高溫風浴烘房，40維持2h后，在8.5h內(nèi)均勻升至125，且維持5h。(2)降溫條件：在2h內(nèi)由125均勻降至100，維持2h；在1h內(nèi)由100均勻降至90，維持2h；在1h內(nèi)由90均勻降至80，維持2h；在1h內(nèi)由80均勻降至70，維持1h；在1h內(nèi)由70均勻降至60，維持1h，經(jīng)2h將溫度均勻降至40后停止。按此工藝制備出95mm厚交聯(lián)有機玻璃原板成功率達到95%，主要技術參數(shù)均達到技術指標要求（表1）。3解決的實際問題航空有機玻璃的工藝優(yōu)化，解決了白鶴梁題刻水下保護工程與題刻水下保護和展示利用的主要問題：滿足了白鶴梁水下參觀廊道玻璃窗在長江水下38m處的技術要求，新使用的航空有機玻璃抗壓強度高、抗沖擊性強，消除了白鶴梁題刻保護工程原參觀廊道玻璃存在的安全隱患；新應用玻璃具有更好的透光性，提升了題刻在水下的辨識度和整體觀賞效果；新應用玻璃抗衰性能較好，使用壽命長，延長了玻璃更換的周期，減少了題刻保護工程維護成本；創(chuàng)造了國內(nèi)外同類保護工程水中更換玻璃先例，解決了今后觀察窗玻璃清洗、更換重大技術難題；解決了制約白鶴梁水下博物館正常開放的重大瓶頸。4應用情況有機玻璃自2015年4月驗收運行至今，白鶴梁題刻觀察窗狀況良好，未發(fā)現(xiàn)任何銀紋。其良好的抗壓強度、透光性、抗沖擊性，大大提升了題刻的辨識度和觀賞效果，得到觀眾的普遍認可。不再因玻璃泛黃、透光性弱等原因，無法看清水中題刻（圖4），比如有機玻璃更換之前觀賞較為模糊的清康熙二十四年的雙鯉石魚，現(xiàn)在透過玻璃窗清晰可見，白鶴梁水下博物館也未再像過去因水中題刻辨識不清停止對外開放，圖5是參觀廊道玻璃窗更換后拍攝的觀賞效果，較更換前觀賞效果明顯提升。清晰的觀賞效果使得需潛水員進入保護體清洗題刻的次數(shù)降低。過去題刻平均每2個月需清洗1次，在2015年5月開館后，僅需9月清洗1次，大大延長了題刻的清洗周期。既降低了白鶴梁題刻的維護成本，更減少了因人為清洗對題刻的影響。此種航空有機玻璃還能在航空、水族館等領域廣泛應用。5結束語創(chuàng)造性地將航空專用有機玻璃應用于白鶴梁水下題刻的保護和展示利用，這既是科學技術與水下文物保護相結合的一種新方式，也是水下施工作業(yè)的一次巨大挑戰(zhàn)。臨水面玻璃更換需在長江水下2038m的題刻保護體內(nèi)進行，潛水員水下施工難度大、風險高，在國內(nèi)外無同類工程經(jīng)驗可借鑒。航空有機玻璃在白鶴梁題刻保護的應用，是我國對水下文物保護，特別是水下文物原址展示的科技手段的突破。隨著國外埃及水下博物館、墨西哥水下雕塑博物館的建成以及威尼斯憲章中對文物就地保護的提出，各國對水下文化遺產(chǎn)更加重視，未來對水下文物需要全面的保護、展示及利用，這一創(chuàng)新性的應用將為更多的水下文化遺產(chǎn)保護與利用提供借鑒。