《出土文献》丨史少华等：定县汉简的分析检测与保护修复研究
定县汉简的分析检测与保护修复研究*
史少华（1，4 ）张琼（1） 魏栋（3,4） 赵阳（1） 贺巧云（1） 雷琼（1） 李贝茜（1） 徐文英（2） 丁柏涛（2）
1.荆州文物保护中心；
2.河北省文物考古研究院；
3.清华大学出土文献研究与保护中心；
4.“古文字与中华文明传承发展工程”协同攻关创新平台
摘要
河北定县八角廊40号汉墓早年遭遇盗焚，墓内汉简的性状、形貌特征、物理性能发生改变，且致使竹简字迹辨认困难，严重地影响了其文献文物价值。通过对定县炭化汉简的微观形貌、力学性能分析检测并进行相关试验，基本可以了解汉简热解炭化的过程、内部形态结构的变化及收缩特征，确定有效荷载范围以及复形方法。在遵循文物保护基本原则的前提下，编制了《河北定县汉简保护修复方案》，并对汉简开展了清洗、复形、封护等保护修复工作，使汉简的形貌得到一定程度的恢复，物理强度得到增强。定县汉简的保护修复弥补了国内炭化竹简保护修复工作的技术空白，为相似文物的保护修复与研究提供了重要借鉴。
关键词
定县汉简 炭化竹简 科技检测 清洗 复形 封护
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一、引言
1973年，河北省定县（今定州市）八角廊村40号汉墓发掘出土了大量汉简。因该墓早年被盗焚，留存的大部分器物都被焚烧，墓内竹简亦难于幸免。出土后竹简胎体炭化，整体呈黑色，表面字迹肉眼难以区分，辨识困难。经考古人员初步整理后，确定了定县汉简中有记载六安国缪王刘定入朝长安期间各项活动的内容，还有《文子》、《论语》等重要文献，[1]具有非常重要的学术价值。但因当时技术条件的限制，文物保护和资料整理工作未能充分推进。在出土后的四十余年间，汉简存放于库房定制的纸盒中（图1、2）。随着时间推移，炭化汉简胎体逐渐劣化，并且有加剧的趋势。本着有利于文物本体保护的原则，2020年，荆州文物保护中心受河北省文物考古研究院委托，对炭化汉简进行了初步调查、检测分析、实验及保护修复可行性评估。此后，荆州文物保护中心以竹木漆器保护技术为支撑，联合河北省文物考古研究院、中国文化遗产研究院、清华大学出土文献研究与保护中心，共同编制了《河北定县汉简保护修复方案》。
定县汉简现有7575件(11028枚)，其中已整理分篇单独存放的共计3575件（3993枚），未经整理统一存放的共计4000件（7035枚）。定县汉简胎体的主要病害有炭化、糟朽、变色、变形、裂隙、断裂、残缺、成丝、酥粉；字迹病害有残缺、模糊等。其中保护难度较大、糟朽成丝状的汉简共计248枚，约占总体的2.2%，变形严重的共计1881枚，约占总体的17%。
我国学者对饱水简牍保护有大量研究，积累了丰富的经验，基本解决了饱水简牍保护的各类问题。如吴顺清、陈元生、胡东波、方北松、赵桂芳、吴昊等对现场清理、脱色、脱水、防腐以及失水干缩等保护技术研究。[2]但对炭化简牍则未见有国内外专家学者曾开展保护研究工作。炭化简牍也是出土简牍的一部分，竹简炭化现象并非只见于定县汉简，长沙五一广场东汉简牍也有少量存在炭化的现象。炭化简牍上面记载的文字信息与其他类别的简牍同样具有较高的研究价值，因此，开展定县炭化汉简的保护修复研究有着重要的意义。
二、定县炭化竹简性状的分析检测与研究
荆州文物保护中心与河北省文物考古研究院通过力学试验，对炭化竹简进行了检测分析和数据比对，掌握了炭化竹简弯曲度与荷载的承受范围、弯曲极限以及局部应力变化等主要数据。又经过观察、分析电镜图像进一步了解了炭化竹简的微观结构，对病害风险程度进行了分析，为后续的复形实验，提供了重要的数据支撑。
（一）实验样品
样品来源于定县汉简无字竹简残片，样品1长36㎜、厚0.89㎜、宽3.61㎜，样品2-1长41㎜、厚1.23㎜、宽5.12㎜，样品2-2长25㎜、厚1.21㎜、宽3.20㎜。
（二）实验仪器
ZXMP-A1150恒温恒湿箱，万能材料试验机与软件TRAPEZIUM LITE X，FEI Quanta650扫描电子显微镜。
（三）测试方法
力学性能：对样品1进行48小时的保温恒湿（温度35℃、相对湿度95%）预处理，样品2不进行预处理。采用万能材料试验机、软件TRAPEZIUM LITE X，在同等条件下以每分钟1毫米的速度进行三点弯曲实验，通过弯曲试验数据，对炭化竹简表征力学性能及有效荷载进行分析、比对和选择。
微观形貌：采用FEI Quanta650扫描电子显微镜，观察炭化竹简残片微观形貌的变化，并判断形貌变化对保护工作的影响。
（四）炭化竹简的力学性能分析
1. 表征力学性能分析与比对
通过弯曲试验报告中荷载、应力、行程等基础数据（图3）计算可得出，炭化竹简局部受力面积的差值、弯曲度、弯曲极限等数据。在经过数据分析、比对得出，预处理后的样品1弯曲角度大，荷载所产生的应力相对较小，所以自身张力大，韧性好。而未经处理的样品2-1、2-2弯曲角度都相对较小，荷载所产生的应力相对较大，所以自身张力小，且脆。再从样品发生断裂时的数据分析可得出，未经处理的炭化竹简都是同时断裂，说明竹青与竹黄可承受的荷载、应力与应变相等或者竹黄承受值更低。而经预处理后的炭化竹简，从竹青与竹黄在不同时间发生的断裂数据可得出，竹青的物理强度要高于竹黄，但竹黄中的维管束自身张力更大，更具有韧性。再从荷载与应力的数据上分析可得出，竹青与竹黄的最大荷载、应力成正比关系。通过上述结论可得，炭化后的竹简可以通过物理加温、增湿的方式提升弯曲度、增加自身张力，降低形变发生时的应力。同时也可以侧面反映出，炭化后的竹简在未经保护的的情况下，其形变受自然环境的变化的影响较大。
2. 有效荷载的分析与选择
因炭化汉简样品的特殊性，样品的厚度与宽度存在一定的差异，可能影响样品纵向分析对比的结果，但不影响样品横向的分析与对比。我们选取了每件样品均未出现裂隙、断裂行程的有效荷载数据进行分析、比对得出：未经处理的样品2-1，0.1~0.3mm之间有效数值为0.16N至0.63N；最小荷载为0.16N；平均荷载为0.41N；每0.1mm的荷载差值为0.26N至0.21N。未经处理的样品2-2，0.1~0.3mm之间的有效荷载值为0.38N至1.64N；最小荷载为0.38N；平均荷载为1.02N；每0.1mm的荷载差值为0.64N至0.59N。而经恒温恒湿箱处理后的样品1，0.1~0.3mm之间的有效荷载值为0.08N至0.29N；最小荷载为0.09N；平均荷载为0.19N；每0.1mm差值为0.08N至0.13N。再通过样品行程，采用三角函数定律计算得出：样品行程每行进0.1mm，弯曲角度约增加0.57°，由此计算样品最大安全形变角度为1.71°。结合以上数据，再综合表征力学性能的评估、分析可知，炭化竹简样品有效且安全的荷载范围是0.19N至0.41N，安全行程约在0.2mm，即弯曲角度约等于1.1°。在静置条件下荷载的增加是一个动态的变化过程，出于文物安全的考虑，每次最高可以加载荷载差值的80%，即0.06N至0.1N。但炭化竹简的病害程度，明显存在个性大于共性的特点，初始荷载的选择及逐步增重的荷载，需要根据汉简形变部位糟朽程度、裂隙深浅等综合判断。相关情况参表1、2。
（五）炭化竹简微观结构分析
由于炭化汉简的特殊性，在炭化汉简微观形貌观察、分析、评估、判断的过程中，我们参考了左宋林、王玲玲等对于现代炭化竹材热解、形态结构、收缩率及收缩特征等的基础研究。[3]从对炭化汉简整体、维管束及薄壁组织的孔隙结构、形态成像观察可知，汉简炭化后整体未见明显坍缩，但存在裂隙、凹凸不平、龟裂、孔隙收缩不一等形变现象。通过横截面微观结构的薄壁组织、维管束形态上逐一分析可知，薄壁组织孔隙收缩较为一致，有部分形变、残缺、破碎等；维管束中间孔隙明显，存在形变、收缩不一；而维管束中间孔隙大而外侧孔隙小，且有成规律的发散，部分外沿孔隙存在无法观测的现象（图4、图5）。再通过竹黄纵截面横向交错，深浅不一的裂隙和维管束与薄壁组织竖向分离的结果可得出：汉简炭化后维管束与薄壁组织保存较为完好，对保护工作的开展影响较小，而竹黄纵截面横向产生的裂隙、维管束与薄壁组织的分离，极大的增加了保护工作的难度与风险。
（六）炭化汉简热解过程的分析及推测
根据炭化汉简的微观结构，并结合部分定县汉简的“炭白化”现象与八角廊40号汉墓纺织品的炭化现象等，可尝试对炭化汉简的热解过程作以下推测：墓葬焚烧的起火点与汉简存放的位置具有一定的距离，起火后可燃物烧毁导致墓葬坍塌及墓内氧气不断减少。汉简在埋烧热解过程中，形成了导热性较小的炭层，汉简可能较长时间处于无焰燃烧、热解的阶段。可以基本确定定县汉简在炭化前长期处于干燥且具有一定物理强度的状态，埋烧时的温度较高，且较为平均。而定县汉简盗焚热解变化的发生，改变了汉简性状的同时，在一定程度上延长了胎体自然降解的时间，为今后研究定县汉简的材质，判断盗焚事件发生的时间提供了珍贵的实物资料。但要准确判断定县汉简降解程度与埋烧之间的关系还需要大量的实验与研究工作。
三、复形实验
（一）实验样品
样品来源于定县汉简无字残片，长21.8㎜、宽3㎜、厚1.3㎜、通高4㎜、内弯曲直径16.6㎜、外径弯曲度数为18°（图6）。
（二）实验仪器
ZXMP-A1150恒温恒湿箱
（三）实验方法
1. 微生物预防
在考虑到炭化竹简样品的糟朽情况及所采用的复形方法后，为防止微生物滋生对样品产生二次伤害，在复形前使用植物精油、无水乙醇对竹简表面进行消毒灭菌工作。
2. 炭化竹简样品的复形
首先，打开恒温恒湿箱，设置温度为30℃、湿度为80%，放入样品进行72小时预处理。其次，通过内弯曲半径确定重力平衡点，判断承重部位、受力点与重力平衡点之间的强度。参考炭化竹简力学性能分析数据，采用逐步增重的方式，确定炭化竹简样品的有效荷载。在复形过程中，样品弯曲度、有效荷载、应力所产生屈服强度的变化是一个动态的过程。在通过增加或减少荷载来判断样品应力与屈服强度的变化后，选择提升温度、降低湿度增大样品自身张力，降低应力产生，同时，还需要根据样品每个阶段形变的程度调整重力平衡点、受力点、承重部位。反复数次至竹简恢复自然平整且不回弹。然后，继续维持有效荷载不变的同时，逐步降低湿度至40%或者低于室内湿度20%以上，再降低温度至室温，静置48小时后取出复形样品（图7）。
（四）实验结果
通过此次实验我们基本掌握了炭化汉简的物理性能特征。在复形实验中完善了确定炭化竹简有效荷载的方法，解决了炭化竹简小角度形变的复形问题与复形后应力产生的回弹问题，为今后复形保护工作提供了良好的基础条件。
四、定县汉简的保护修复
依据《河北定县汉简保护修复方案》，经征询文物收藏单位河北省文物考古研究院等专家意见后，荆州文物保护中心与河北省文物考古研究院、中国文化遗产研究院、清华大学出土文献研究与保护中心共同成立了定县汉简保护工作组，制定了定县汉简保护工作流程（图8）。2021年6月在办理了定县汉简移交的同时，清华大学出土文献研究与保护中心贾连翔老师采用红外光与可见光相结合的方式对定县汉简进行了文字信息提取工作。下面主要阐述定县汉简保护工作中清洗、复形、封护等关键操作步骤与注意事项。
（一）清洗
1. 污染物的成分分析
采用扫描电镜-能谱仪对样品进行显微结构观察和元素面分布检测分析，结果如图9所示。污染物主要由大小不等的颗粒物构成，区域主要元素为C和O，还含有一定量的Si和Al等，且Si、Al、O、Fe元素均匀分布于样品区域中，推断样品表面污染物可能含二氧化硅和硅铝酸盐等。再通过拉曼光谱检测结果（图10）可知，物质区域拉曼吸收峰出现在126.6cm-1、204.4cm-1和463.6cm-1等，符合石英（SiO2）的拉曼谱图特征，由此推断污染物应含有石英（SiO2）。综合以上检测数据可得出，污染物应为泥土类污染物，主要含二氧化硅和硅铝酸盐等物质。
2. 污染物的清洗
定县汉简的清洗遵循最小干预保护原则，在清洗中先后使用毛笔、竹签、棉签、单向气吹等工具。具体清洗操作步骤为：采用剥、挑的方式去除表面大颗粒污染物，再对附着牢固、较厚且深的污染物用纯净水微微润湿，然后采用沾、洗的方式去除表面附着的污染物，直至表面洁净。清洗完成后为防止炭化竹简因湿度过大等环境因素的影响而产生形变，可以选择采用绑扎、压片的方式定形，放在避光、通风环境中干燥。
3. 清洗的注意事项
污染物的组成主要是尘土及微小的矿物结晶体，适当的潮湿可以有效降低尘土的黏度及强度。但操作时要把握好湿润的程度，以避免炭化竹简过于湿润进而产生其它病害，同时还可以避免污染面积增大。
（二）复形
1. 复形的主要目的
复形是定县汉简保护修复的一个重要步骤，复形以还原炭化竹简原有形态为目的，同时也为竹简文字信息的顺利提取提供必要条件。复形后的炭化竹简形貌得到了一定恢复，物理特性稳定，未见对文物结构造成影响，符合文物保护的基本要求（图11-18）。
2. 复形的主要步骤
以分析检测及实验所得复形相对安全范围作为参考数据。根据每枚炭化汉简的宽度、厚度、弯曲度、内弯曲半径等基础数据，以复形部位重力平衡点为中心，在判断形变部位承重强度与受力点之间糟朽程度的前提下，确定受力面积后，再采用逐步加重的方式，确定炭化竹简复形的初始有效荷载。然后根据每枚炭化竹简形变部位的角度、弯曲方向的变化进行调整及定向增压，同时使用恒温恒湿箱降低应力的产生，增加其韧性，逐步降低变形部位的形变程度，最终达到复形保护的目的。复形后的炭化竹简需采用绑扎方式将其放在避光、通风的环境中干燥定形。
3. 复形炭化竹简的注意事项
首先，定县汉简病害的个性明显大于共性，因此，在应用复形基础数据的同时还需要充分考虑形变部位的糟朽情况，特别是成丝、裂隙较深的部位，应尽量增大承重部位的面积，以减少复形时产生的潜在风险。其次，复形调整过程中适当减轻荷载，可以有效防止断裂的发生。再次，做好恒温恒湿箱产生水凝的预防性工作。
（三）封护
1. 封护的主要目的
根据保护修复方案的技术路线，定县炭化汉简选用乙基纤维素进行封护保护。封护完成后留存于炭化竹简中的主要是乙基纤维素聚合物，聚合物在形成保护屏障、减少外部环境影响的同时，还可以增强汉简的机械强度，达到了预期保护目标（图19-22）。
2. 封护的主要步骤
首先配置乙基纤维素溶液，根据保护修复方案的技术路线，使用无水乙醇作为有机溶剂，配制成5%的乙基纤维素溶液。待溶液充分混合后，使用毛笔、软排笔、勾线笔等工具，对其表面每个部位进行涂刷封护。封护后可以分别采用绑扎、压片的方式将其定形，之后放在避光、通风的环境中干燥。
3. 封护的注意事项
有机溶剂的挥发会逐步提高乙基纤维素的浓度，使用一段时间后应及时更换。
五、结语
（一）定县炭化汉简的保护修复效果
随着时间推移及自然环境条件的变化，定县炭化汉简的性状、形貌特征有所改变，例如胎体的物理性能降低，胎体表面不断出现裂隙并增大，胎体表面字迹越来越不易辨识、提取。在遵循最小干预的保护原则下，根据分析检测及实验等数据，项目组制定了较为完善的定县汉简保护工作流程与操作规范。在项目实施过程中，项目组成员严格按照工作流程与规范，对炭化汉简进行了清洗、复形、封护等保护修复工作。经保护修复后的定县汉简，原来被泥土遮盖的字迹得以完整的显现，更方便竹简图像信息提取；变形的炭化汉简得到了适当矫形，有效地降低了变形程度；糟朽汉简的物理强度得到了提高；有效控制了炭化汉简裂隙扩大带来的风险，达到了预期的保护修复目标。定县汉简的保护修复工作为其今后的保存、研究提供了重要的基础条件，也为类似文物的保护工作提供了可参考的经验。
（二）炭化简的保护研究方向
现阶段，定县炭化汉简的保护研究工作只是结合炭化竹简的物理性能，对竹简的形貌及物理强度进行了分析与研究，未能解决字迹肉眼辨识困难的问题。定县汉简保藏中有“炭白化”简，竹材“炭白化”后与字迹对光源的反射存在差异，通过肉眼可辨识出完整的字迹形态。这种现象的出现与木材烧制成白炭形成表面灰化的过程类似。这为将来还原炭化竹简字迹的肉眼可辨性，完善炭化竹简保护体系，提高炭化竹简研究、展陈、欣赏价值，提供了珍贵的实物资料与技术思路。
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注释
* 本文为国家社科基金重大项目“以定县简为代表的极端性状竹书的整理及其方法研究”（21&ZD306）的阶段性研究成果。
[1] 刘来成：《河北定县40号汉墓发掘简报》，《文物》1981第8期。
[2] 吴顺清：《荆门包山二号楚墓中楚简的清理》，《江汉考古》1991年增刊；陈元生、解玉林、罗曦芸：《严重朽蚀饱水竹简的真空冷冻干燥研究》，《文物保护与考古科学》1991年第1期；胡东波、宋少华、肖静华：《长沙走马楼出土饱水竹简的防腐保存》，《文物保护与考古科学》2003年第2期；方北松等：《饱水竹简变色机理的初步研究》，中国文物保护技术协会编：《中国文物保护技术协会第四次学术年会论文集》，北京：科学出版社，2005年；方北松等：《走马楼吴简十六醇法脱水研究》，西北大学文博学院等编：《文物保护与科技考古》，西安：三秦出版社，2006年；中国文物研究所：《醇-醚连浸乳香胶渗透加固处理出土饱水竹简》，《中国文化遗产》2004年第3期；赵桂芳：《简牍保护概论》，《中国文物科学研究》2006年第2期；吴昊等：《出土饱水竹简失水干缩的复形研究——以海昏侯墓葬出土竹简等为例》，《文物保护与考古科学》2016年第3期。
[3] 左宋林等：《炭化过程中竹材内部形态结构的变化》，《林产化学与工业》2004年第4期；左宋林等：《炭化过程中的竹材收缩率(英文)》，《南京林业大学学报》(自然科学版)2003年第3期；王玲玲、张东升、朱红：《竹材热解及炭化收缩特征分析》，《竹子研究汇刊》2005年第3期。
原载《出土文献》2023年第1期，引用请据原文。本刊文章已收入“中国知网”，欢迎各位读者下载阅读。
编辑 | 田硕
审核 | 刘晓晗