山西介休后土廟彩塑病害機理的室內(nèi)實驗研究

李燕飛 趙林毅 王旭東 梁收運 范宇權(quán) 楊 韜

內(nèi)容摘要：文物病害的發(fā)生、發(fā)展與多種因素有關，而病害機理研究是保護過程的基礎環(huán)節(jié)。本文結(jié)合后土廟彩塑的保存環(huán)境、彩塑的制作材料與工藝，通過室內(nèi)的模擬實驗研究，再現(xiàn)了病害的發(fā)生和發(fā)展過程，為彩塑進一步保護措施的實施和保存環(huán)境的改善提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：后土廟；彩塑；病害；機理研究

中圖分類號：K854.3；K879.41文獻標識碼：A文章編號：1000-4106(2009)06-0040-04

一引言

山西介休后土廟是國家重點文物保護單位。在對后土廟現(xiàn)存彩塑的保護研究過程中，通過對彩塑保存現(xiàn)狀的詳細調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)的研究，明確了彩塑現(xiàn)存的主要病害、保存狀況及彩塑制作材料與制作工藝，對彩塑的保存歷史沿革有了較為清楚的認識。對彩塑實施有效保護，病害機理的研究是其中重要的一個環(huán)節(jié)。只有清楚地掌握和了解病害發(fā)生和發(fā)展過程，才能為修復材料的選擇及保存環(huán)境的改善提供理論依據(jù)和基礎支撐。

文物病害的發(fā)生和發(fā)展，通常與文物的保存環(huán)境、文物的制作材料及工藝、人為等因素有著直接的關系。因此，研究文物各類病害的發(fā)生和發(fā)展與保存環(huán)境、人為因素、制作材料與工藝等的關系是揭示病害成因的必然途徑?，F(xiàn)狀調(diào)查和前期研究表明，后土廟彩塑現(xiàn)存的主要病害為顏料層龜裂起甲和嚴重的地仗酥堿。

對于壁畫、彩塑等的顏料層龜裂起甲病害，研究認為，壁畫、彩塑顏料在繪制過程中要摻加一定量的動物膠或植物膠作為膠結(jié)材料，由于此類膠結(jié)材料是有機物，主要成分為蛋白質(zhì)，在光和濕度等因素的作用下會產(chǎn)生不同程度的老化、收縮變形，使得顏料層產(chǎn)生龜裂起甲，乃至粉化脫落。酥堿病害的產(chǎn)生則與地仗土的物理力學性能、地仗土中的易溶鹽的種類以及易溶鹽在環(huán)境等因素影響下的活動有關。但是，易溶鹽的種類不同，在不同環(huán)境影響下產(chǎn)生的酥堿病害的表現(xiàn)形式也是有區(qū)別的。

為了研究后土廟酥堿病害產(chǎn)生的原因，本研究試圖通過室內(nèi)模擬實驗研究的方法，再現(xiàn)彩塑的酥堿病害，科學合理地解釋病害的發(fā)生和發(fā)展的過程。

二室內(nèi)模擬實驗研究

2.1模擬試塊的制作

(1)制作材料

原地仗土、麥秸、骨膠、墨和礦物顏料朱砂、石青、石黃、石綠、鉛丹。

(2)制作方法

為了使制作材料更加接近原材料，制作模擬試塊的土取自塑像殘塊(已經(jīng)嚴重酥堿，變成一堆塑土)，所以在制作試塊的過程中沒有加入任何種類的易溶鹽。制作過程中加入2％的麥秸、顏料和底色層所用的5％的骨膠溶液。底色層顏料為石膏，表層顏料有朱砂、墨、石青、石黃、石綠及鉛丹，所使用的材料是依據(jù)對彩塑制作材料的分析結(jié)果Ⅲ。試塊在制作過程中保持每一個試塊的密度基本相同(試塊干重約58g，直徑為5cm，厚為0.8cm)。

2.2地仗試塊的循環(huán)老化

(1)循環(huán)老化的條件

儀器：可程式恒溫恒濕箱(東莞市恒工設備有限公司制造，HG-TH-P-306R型)。

條件設置：按照對后土廟彩塑保存環(huán)境的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖1)，日均值最大為84％，降雨時可達90％以上。設定兩個階段進行老化試驗。第一階段程序設定溫度20℃、相對濕度55％和溫度15℃、相對濕度90％交替各24小時，每兩天交替一次，為一個循環(huán)，每連續(xù)三個循環(huán)后停機一天，這一階段經(jīng)歷了48個循環(huán)，歷時92天。第二階段為加速老化階段，程序設定為溫度20℃、相對濕度20％和溫度15℃、相對濕度90％交替各保持6小時，每天兩個循環(huán)，中間不停機，這一階段經(jīng)歷了50個循環(huán)，歷時25天。

(2)老化過程中的監(jiān)測

模擬試塊的循環(huán)老化經(jīng)歷了兩個階段的98個循環(huán)，在每個循環(huán)過程中比較觀察試塊的變化情況，描述現(xiàn)象，在有明顯變化時照相記錄。在對試塊老化循環(huán)監(jiān)測的過程中發(fā)現(xiàn)，模擬試塊的破壞不是從表面開始的，而是從邊緣開始的。在第一階段第9個循環(huán)時每種試塊地仗邊緣開始出現(xiàn)粉化脫落現(xiàn)象，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，地仗粉化脫落的現(xiàn)象也在加劇。觀察發(fā)現(xiàn)，涂有石黃和鉛丹的試塊色調(diào)變暗，朱砂的顏色淡化，石青、石綠和墨的色調(diào)變化較小，石青、石綠和墨顏料出現(xiàn)粉狀脫落，地仗周圍已經(jīng)不同程度地積累了地仗粉化脫落后的粉末。這一現(xiàn)象與后土廟彩塑酥堿病害現(xiàn)象一致(圖版16-18)。

(3)地仗土的吸濕性能

在第一階段停機時對試塊進行了稱重，了解彩塑地仗土的吸水性能和分析彩塑病害的成因。第39個循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)試塊的重量不再變化，這一現(xiàn)象表明，在循環(huán)過程中，在39個循環(huán)以后試塊吸水達到飽和。稱重結(jié)果顯示，彩塑地仗在潮濕環(huán)境下，每100克的地仗土對水氣的最大吸濕能力在8％～9.5％之間，吸濕能力較強。

三后土廟彩塑病害成因分析

3.1鹽分來源分析

根據(jù)塑像制作材料的地仗土和當?shù)赝练治龅慕Y(jié)果，彩塑地仗是用當?shù)赝林谱鞯?。易溶鹽的分析結(jié)果表明(表1)，地仗土中易溶鹽的含量較高，比較當?shù)赝翗拥姆治鼋Y(jié)果，可以認為易溶鹽主要是外界環(huán)境影響所造成的。通過對塑像表層覆蓋的一層污染物的易溶鹽的離子色譜分析，陽離子以Ca²⁺為主，陰離子主要為SO^2-₄，這與對地仗土SD-1、SD-2、SD-3、SD-4的分析結(jié)果中的主要離子相吻合。

根據(jù)對介休地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，介休市環(huán)境污染比較嚴重，大氣污染主要為煤煙污染，污染物有煙塵、SO₂、CO和氮氧化物(NO_x)等，來自化工企業(yè)的污染物排放量是非常大的--顆粒物、煙粉塵年排放量高達1000多噸，SO₂年排放量可達160.7噸，落在塑像表面的粉塵厚達0.8cm左右。大量的SO₂、NO_x排入大氣后，形成酸雨，主要是H₂SO₄和HNO₃，隨粉塵漂浮于彩塑上，將SO^2-₄和NO^-₃帶入彩塑地仗，長時間的過程中，SO^2-₄和NO^-₃與地仗土中的金屬離子結(jié)合形成硫酸鹽和硝酸鹽，并在地仗土中不斷累積。這是地仗土中易溶鹽含量較高的主要原因。

3.2保存環(huán)境的影響

后土廟西配殿2005年7月至11月的殿內(nèi)溫濕度環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示(圖1)，7月、8月殿堂內(nèi)相對濕度較高，9月到11月也在50％以上。結(jié)合介休市1994-2004年的環(huán)境溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)及降水量的統(tǒng)計，降雨集中在每年的6-9月份，且雨量較大(圖2)，相對濕度也較高，在60％以上，8月份相對濕度在70％以上(圖3)。此段時間殿內(nèi)處于長時間高濕度和短時間相對濕度較低的交換狀態(tài)。在這種條件下，由于地仗土的吸濕能力較強，極易發(fā)生塑像地仗內(nèi)的鹽分在高濕度下溶解，相對濕度降低時結(jié)晶的反復溶解和結(jié)晶過程，就導致殿內(nèi)的塑像產(chǎn)生酥堿和粉化脫落的病害。1993年，東配殿塑像遷至山門殿，西配殿塑像遷至真武殿。真武殿和山門殿相對東配殿和西配殿地勢要高，通風條件較好。在塑像搬遷時，塑像內(nèi)已經(jīng)積聚了大量的水汽，良好的通風環(huán)境使得塑像內(nèi)的水分急劇向外界運移，在加速易溶鹽在表面結(jié)晶的同時，也加速了病害發(fā)展的進程。據(jù)塑像管理人員介紹，在塑像搬遷至山門殿和西配殿時，窗戶和外界直接相通，沒有遮擋，下雨時，雨水可直接或間接落至塑像上，這也是病害在塑像搬遷后持續(xù)發(fā)展的主要原因。

3.3制作材料

彩塑地仗的制作材料為土屬粉質(zhì)粘土，顆粒極細，孔隙率較小。一方面當相對濕度升高或由于某種原因吸水時，地仗土吸水使得顆粒周圍結(jié)合水膜的增厚而增大了顆粒間的距離，引起地仗土體的體積膨脹，地仗土的孔隙率相應變大；當相對濕度降低時，地仗土內(nèi)的水分會向外界運移蒸發(fā)，此過程中會引起地仗土收縮，顆粒間的孔隙率變小。另一方面，地仗中的易溶鹽含量較高，離子色譜和易溶鹽總量分析結(jié)果表明，地仗土中的鹽類以硫酸鹽和硝酸鹽為主，這種地仗土的性質(zhì)類似于硫酸鹽漬土。硫酸鹽在結(jié)晶過程中具有結(jié)合一定數(shù)量水分子的能力，體積會膨脹，當失水時，晶體變?yōu)闊o水狀態(tài)，體積相應縮小，硫酸鹽的這種變化通常隨溫度的變化而變化。當溫度降低時，鹽溶液達過飽和狀態(tài)，鹽分會從溶液中結(jié)晶析出，體積增大；溫度升高時又溶解于溶液中，體積縮小。因此，這種隨著外界環(huán)境的變化呈現(xiàn)周期性變化的過程，容易引起地仗土體結(jié)構(gòu)的破壞，產(chǎn)生松脹現(xiàn)象，造成了彩塑地仗的嚴重酥堿。

四結(jié)論

綜合室內(nèi)實驗研究和彩塑的保存環(huán)境，初步認為塑像病害的產(chǎn)生和發(fā)展與地仗土的物理性質(zhì)、大氣污染及塑像保存環(huán)境的溫濕度變化等綜合因素有關，地仗土中硫酸鹽的溶解和結(jié)晶過程是塑像酥堿病害發(fā)生和發(fā)展的主要原因。