敦煌莫高窟第８５窟空鼓壁畫灌漿加固材料篩選實驗
2007-01-01 00:00:00樊再軒史迪文·瑞克比麗莎·席克德喬海唐偉楊金建
敦煌研究 2007年5期
內(nèi)容摘要：壁畫空鼓是莫高窟第85窟的主要病害之一，針對空鼓壁畫的具體特征，選擇多種充填材料，以不同配比配制的81種灌漿材料，經(jīng)過性能測試及現(xiàn)場模擬試驗。最終篩選出了以澄板土(一種當?shù)睾哟渤练e黏土)為主、摻加適量浮石和玻璃微珠作為充填劑，水中加適量蛋清為主劑配制的灌漿材料。這種漿液具有容重小、流動性好、結(jié)石體透氣性好、收縮率小、黏結(jié)強度適中并且可調(diào)等特點?，F(xiàn)場試驗表明，這種材料是莫高窟第85窟空鼓壁畫灌漿加固的理想材料。
關(guān)鍵詞：莫高窟；空鼓壁畫；灌漿材料；篩選
中圖分類號：K854.3；K879.41 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106(2007)05-0016-06
一 引言
根據(jù)病害現(xiàn)狀調(diào)查統(tǒng)計，壁畫空鼓是85窟的主要病害之一，分布廣并且嚴重。近幾年曾發(fā)生過地仗層突然脫落的現(xiàn)象，說明空鼓壁畫脫落的不可預(yù)測與高危險性，所以對空鼓壁畫進行有效加固治理的關(guān)鍵是篩選出與之相適宜的灌漿材料。
二 灌漿材料篩選實驗
1、篩選原則及方法
針對泥質(zhì)壁畫空鼓的具體特征，在對灌漿材料進行篩選時遵循了容重小、透氣性好、收縮率小、強度適中、流動性好和最大兼容的原則。選擇了與泥質(zhì)地仗相近的澄板土(一種當?shù)睾哟渤练e黏土)為主，輔助材料有青磚粉、沙、粉煤灰、珍珠巖、玻璃微珠、天然浮石和雞蛋清等。
在配制灌漿材料前用蒸餾水將這些材料反復(fù)漂洗四次進行脫鹽。經(jīng)過處理使這些材料中的鹽分大大降低(Cl-含量小于萬分之一)，然后用土樣篩將灌漿材料的顆粒控制在375-300μm之間。
準確稱取各組分的樣品，充分混合，把占干組分5％的雞蛋清攪拌成泡沫狀倒入混合樣品中加入定量的蒸餾水，蒸餾水量控制在漿液呈流態(tài)為易，用攪拌器攪拌均勻。
2、灌漿材料性能測試與評價
(1)干燥時間
在一定相對濕度和溫度下灌漿材料達到恒定重量所需要的時間。把樣品裝入體積為65.31cm3的玻璃皿中稱重(初重)，然后放入相對濕度RH40％、溫度30℃的恒溫恒濕箱中，每天稱重兩次，直至恒重。
(2)析水性
定量灌漿材料中水分析出的范圍和速度，通過直徑為5.6cm、7.7cm、10.5cm的同心圓記錄。取5ml樣品裝入注射器中，擠到已繪好不同直徑的圓心紙上，記錄水分達到的時間。
(3)透氣性
在一定的相對濕度和溫度下，一定時間內(nèi)穿過一定體積樣品的蒸餾水的量，透氣性用g/cm3·h表示。把體積為65cm3的樣品放在盛有10ml蒸餾水的塑料杯的杯口處，用蠟封閉，稱重(初重)，放入相對濕度RH40％溫度30℃的恒溫恒濕箱中，七天后稱重。
(4)線性收縮率
干燥前后樣品直徑的變化(D1-D2)/D1×100
D1為玻璃皿直徑(8.126cm)D1為干燥后樣品直徑，線性收縮率用％表示。
(5)含水率
樣品干燥前后重量變化(M1-M2)/M1×100
M1為樣品初重，M2為樣品終重，含水率用％表示。
(6)比重
單位體積灌漿材料的重量，用g/ml表示。
(7)抗折強度
把樣品制成5cm×5cm×15cm的長方體，進行抗折試驗，以MPa表示。
(8)單軸抗壓強度(T-10萬能材料試驗機)
把樣品制成5cm×5cm×5cm的正方體，進行抗壓實驗，樣品承受最大荷載所需的力，以MPa表示。
(9)黏結(jié)力
將單位面積上的灌漿材料從巖體上拉脫所需要的力。用注射器將40ml材料擠到已制備好的8×8cm的模擬地仗中，貼到巖體上，干燥后進行拉拔。黏結(jié)力用牛頓(N)表示。
(10)抗剪切力
方法同“(9)黏結(jié)力”步驟，不同的是試驗時在模擬地仗邊緣向一個方向平行于崖面施力，直至模擬地仗脫落。
3、灌漿材料性能測試結(jié)果
次此實驗共進行了80多種不同組份和配方的篩選，由于受篇幅所限，選擇其中有代表性的幾種材料的測試結(jié)果(見表1)。
4、測試結(jié)果評價
(1)析水性
水分能到達第二圈為優(yōu)，到達第三圈為良，小于第一圈或大于第三圈為差。
(2)干燥時間
干燥時間在26-52小時之間為優(yōu)，在53-90小時之間為良，在91-117小時之間為差。
(3)線性收縮率
線性收縮率在0.20-2.29％之間為優(yōu)，在2.30-4.14％之間為良，在4.15-6.10％之間為差。
(4)含水率
含水率在14.1-25％之間為優(yōu)，在25.1-38％之間為良，在38.1-44.05％之間為差。
(5)比重
比重在0.8-2.5之間為優(yōu)，在2.51-3.5之間為良，在3.51-5.03之間為差。
(6)抗折強度
抗折在0.297-O.468MPa之間為優(yōu)，大于或小于此范圍為差。
(7)單軸抗壓強度
單軸抗壓在0.386-1.193MPa之間為優(yōu)，大于或小于此范圍為差。
(8)透氣性
透氣性在6.03×10-4-7.20×10-4之間為優(yōu)，在4.59×10-4-6.02×10-4之間為良，在3.74×10-4-4.58×10-4之間為差。
(9)黏結(jié)力
黏結(jié)力在60-98N之間為優(yōu)，大于或小于此范圍為差。
(10)抗剪切力
抗剪切力在290-390N之間為優(yōu)，大于或小于此范圍為差。
5、灌漿材料老化實驗
為了考察灌漿材料的抗鹽害能力，選擇11#、12#、65#、78#和81#樣品進行老化模擬實驗。
把上述五種材料裝入玻璃皿中，分兩組，一組加1.5％的NaCl，一組不加，各做三塊，其中兩塊做試驗用，一塊留做對比用。把干燥后的試塊放入相對濕度RH100％溫度為30℃的恒溫恒濕箱中48小時后取出，放在常溫中干燥24小時，然后再放入RH100％的恒溫恒濕箱中，如此反復(fù)循環(huán)，詳細觀察記錄試塊老化情況，結(jié)果見表2。
三 吸水脫鹽材料實驗
空鼓壁畫灌漿后，鹽分在水分的作用下向外運移，在地仗和顏料層表面聚積結(jié)晶，對壁畫造成危害，所以選擇適合的脫鹽吸水材料并在灌漿過程中對壁畫進行吸水脫鹽處理是非常必要的。
1、吸水材料：KC-X70、KC-X60(純木漿與無紡布交織在一起制作成的高吸水性材料)、細毛毯、脫脂棉、生宣紙、日本棉紙、M-F2001(合成纖維與聚酯樹脂混合在一起，制作成的高吸水性材料)、鏡頭紙、粗羊毛毯、細羊毛毯以及這些材料的黏土袋(墊)。
2、實驗步驟
(1)把上述吸水材料切割成8.5cm×8.5cm的方塊并制作成相應(yīng)的黏土袋(墊)。
(2)將一塊規(guī)格為19.5cm×24.5cm細毛毯平鋪于桌面均勻噴濕。
(3)分別稱量吸水墊的干重或潮重，將每一個吸水墊水平放在噴濕的細毛毯上，蓋金屬板并加1000g的重物，記錄實驗開始的時間。
(4)每15分鐘稱量一次吸水墊的重量，至吸水墊質(zhì)量不再增加為止。
3、實驗數(shù)據(jù)(見表3)
四 空鼓壁畫現(xiàn)場模擬灌漿及脫鹽試驗
為了考察灌漿材料在現(xiàn)場的可灌性以及灌漿后鹽分在地仗中的運移情況，按唐代壁畫地仗的材料模擬制作空鼓試塊，灌入灌漿材料，用透氣頂板把吸水墊敷貼在試塊上，進行脫鹽。
1、空鼓壁畫模擬試塊制作
按澄板土：沙：麥草：水為64：36：3：33的比例(質(zhì)量比)制成20cm×20cm，厚2cm，空鼓部位厚1cm的試塊14塊，為了較清楚地觀察鹽分的運移情況，在試塊中加入2％的NaCl，待試塊干燥后，貼在85窟東壁和南壁下側(cè)壁畫已脫落的崖體上。試塊分7組，每組兩塊，編號為1#A、1#B——7#A、7#B。
2、灌漿前微巖心取樣
在試塊的一角用微巖心采樣器進行不同深度取樣，分析試塊中的含鹽量及其分布。
3、灌漿
在模擬試塊的空鼓部位鉆兩個小孔，一個作為灌漿孔，一個作為排氣孔。用注漿器從灌漿孔注入81#灌漿材料200ml。
4、敷貼吸水墊
為了了解灌漿材料在干燥過程中采用不同方法和不同吸水墊的脫鹽效果，選擇日本棉紙、KC-X60、M-F2001、KC-X60黏土(KC-X60和泥漿混合干燥)、M-F2001黏土(M-F2001和黏土混合干燥)和2cm厚的普通海綿，頂板用鉆有多孔的五合板制成。
1#A、1#B、3#A、3#B和5#A、5#B在灌漿后立即使用頂板把吸水墊敷貼在試塊上；2#A、2#B、4#A、4#B和6#A、6#B當水分到達表面時，用少許蒸餾水把日本棉紙貼在試塊上，用頂板把吸水墊敷貼在試塊上，為了作對比7#A、7#B不加吸水墊，在自然環(huán)境中干燥。記錄觀察結(jié)果(見表4)。
5、灌漿后微巖心取樣
待灌漿試塊全部干燥后，在灌漿部位用微巖心采樣器進行不同深度取樣，分析試塊脫鹽后的含鹽量及其分布。圖1為1A、1B取樣點灌漿前后鹽分分布對照。
6、模擬試塊切面檢查
模擬灌漿后對試塊進行切面檢查，觀察到黏結(jié)面大多從灌漿材料處開裂，局部拉拔下一些細沙和巖石顆粒。
五、結(jié)論
根據(jù)室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場模擬試驗，得出以下結(jié)論：
1、灌漿材料
澄板土、玻璃微珠和天然浮石這類組份的灌漿材料，具有優(yōu)良的透氣性，線性收縮率小，干燥時間短，容重小，現(xiàn)場模擬有很好的可灌性。
2、吸水脫鹽材料
從實驗數(shù)據(jù)和灌漿前后微巖心取樣分析結(jié)果看，KC-X60具有明顯的吸水脫鹽效果。
責(zé)任編輯：盛朝暉
