不同土沙比壁畫地仗性能測(cè)試

內(nèi)容摘要：運(yùn)用SY5聲波儀及微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)壁畫地仗土沙比按4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4之間變動(dòng)，麻刀含量由1％、1.5％、2％、2.5％、3％之間變動(dòng)制作的壁畫地仗模擬試塊進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，地仗的抗折、抗壓強(qiáng)度與波速、收縮率之間成正比關(guān)系。土沙比例由4:1至3:7變化時(shí)，其收縮率降低，密度減小，波速減小，而相應(yīng)的抗折、抗壓強(qiáng)度亦隨之降低。地仗土沙比為1:4時(shí)，干燥時(shí)膨脹，密度增大，會(huì)導(dǎo)致其波速減小、抗折強(qiáng)度減小，抗壓強(qiáng)度增大。在地仗由潮濕變?yōu)楦稍锏倪^程中，土沙比例不同，會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力和膨脹應(yīng)力兩種不同性質(zhì)的力，從而會(huì)對(duì)壁畫產(chǎn)生不同的影響。

關(guān)鍵詞：土沙比；壁畫地仗；性能

中圖分類號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2009)06-0036-04

前言

敦煌地處中國西北，位于甘肅省最西端與新疆維吾爾自治區(qū)交界處。敦煌地域包括黨河及疏勒河流域的廣大地區(qū)，總面積約168，000平方公里。敦煌石窟包括敦煌莫高窟、西千佛洞、安西榆林窟。

敦煌石窟的營造，大體要經(jīng)過鑿巖鐫窟、繪制壁畫和塑像、修建窟檐等過程。參與石窟營造的工匠主要有打窟人、石匠、泥匠、木匠、塑匠、畫匠等六類，工匠技術(shù)級(jí)別可分為都料、博士、師、匠、工等。由此可見，制作壁畫的工匠的工種、技術(shù)級(jí)別之間均有嚴(yán)格的分工，壁畫地仗由古代泥匠專門制作。

絲綢之路沿線石窟壁畫地仗的含沙比約在18～87％之間變動(dòng)。這說明壁畫地仗雖由泥匠專門制作，但其中的土沙比例并不固定，在18～87％區(qū)間范圍內(nèi)波動(dòng)，其配制具有一定的經(jīng)驗(yàn)性。泥匠更偏重于技術(shù)上的區(qū)別，其中土、沙比例則因個(gè)體不同而存在差異。如泥匠中有“上仰泥博士”等級(jí)別，即在石窟壁畫地仗的制作中，給窟頂上泥是難度最大的技術(shù)活，因而也需要工匠具有過硬的專業(yè)本領(lǐng)。

地仗層是壁畫的直接載體，壁畫的顏料層一般于其上打底色，然后填色。其性能的差異對(duì)壁畫的保護(hù)有重要的作用，也可能與病害的產(chǎn)生有直接的關(guān)系。鑒于此，設(shè)計(jì)本試驗(yàn)，以測(cè)定不同土沙比例地仗之間的性能差異。

一 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)莫高窟地仗的制作材料，按照一定的比例配制壁畫地仗。具體實(shí)施時(shí)，則按照土沙比例由4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4之間變動(dòng)，麻刀含量由1％、1.5％、2％、2.5％、3％之間變動(dòng)來制作壁畫地仗試塊。

采用超聲脈沖法對(duì)試塊進(jìn)行無損檢測(cè)，所用超聲儀的聲頻為50kHz?？拐?、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)采用應(yīng)變控制式，抗折試驗(yàn)時(shí)的位移速率為3.6mm/s；抗壓試驗(yàn)時(shí)的位移速率為7.2 mm/s，同時(shí)參考《水泥膠砂強(qiáng)度ISO檢驗(yàn)方法》(GB/T17671-1999)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 分析儀器

SY5聲波儀，武漢巖土力學(xué)所(中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所智能儀器研究室)制造。型號(hào)：RSM-SY5；發(fā)射頻率：50kH；接收頻率：50kH；采樣間隔：1uS。

微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，深圳市瑞格爾儀器有限公司制造。型號(hào)：RG7-10；規(guī)格：10KN；準(zhǔn)確度等級(jí)：1級(jí)。

1.3 材料準(zhǔn)備、試塊制備與測(cè)試

(1)材料準(zhǔn)備

土：使用敦煌莫高窟大泉河沉積澄板土。

沙：將莫高窟附近細(xì)沙過100目篩。

麻：將麻束以敲打的方式分離為麻絲。

(2)試塊制備

①悶?zāi)?，將一定比例沙土混合，加入麻刀，摻加適量水放置。

②和泥，靜置一段時(shí)間，待水分充分滲透后，進(jìn)行攪拌(捶打)。

③制作試塊，將和好的泥填入抗折抗壓模具，并用修復(fù)刀將表面抹平。模具大小為4×4×16cm，每組試塊平行制作三組。

④干燥，將制作好的試塊放置自然干燥。

(3)收縮率測(cè)定

測(cè)定試塊干燥后的長度，模具長度為16cm，認(rèn)定試塊起始長度即為16cm，將干燥后試塊長度的變化量除以起始長度，以求其線性收縮率。

(4)波速測(cè)試

將干燥后的試塊用聲波儀測(cè)試其縱波速，以研究其密度變化的情況。

(5)試塊抗折、抗壓測(cè)試

將制備好的試塊置于材料試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行抗折、抗壓測(cè)試。

二 結(jié)果分析

2.1 收縮率

對(duì)土、沙、麻不同配比的地仗試塊收縮率測(cè)定結(jié)果表明(圖1)，相同比例的麻刀地仗試塊，土沙比例由高降低的過程，其收縮率有減小的趨勢(shì)，即土含量越高，試塊的收縮率越大；當(dāng)土沙比例降至一定程度，試塊會(huì)膨脹，如土沙比例為1:4時(shí)2％、3％的麻刀試塊會(huì)膨脹。這一結(jié)果說明，地仗中土沙比例不同，會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能的不同，甚至?xí)耆喾础Ｔ诘卣逃沙睗褡優(yōu)楦稍锏倪^程中，高含量土的試塊體積會(huì)收縮，高含量沙的試塊體積會(huì)膨脹。

土沙比例相同、不同麻刀含量的地仗試塊，其收縮性變化比較復(fù)雜。在土沙比例由4:1至1:1變化的過程中，隨著麻刀含量的增加，試塊收縮率有縮小的趨勢(shì)，但在麻刀比為1.5％時(shí)，地仗收縮率較大。試塊土沙比由2:3至3:7變化過程中，試塊收縮率先減小后增大。試塊土沙比為1:4時(shí)，試塊收縮率先減少后增大，其變化先收縮然后膨脹。

2.2 波速

對(duì)土、沙、麻不同配比的地仗試塊縱波速測(cè)試表明(圖2)，相同比例的麻刀地仗試塊，土沙比例由高降低的過程，其波速有減小的趨勢(shì)，即土含量越高，試塊的密度越大；反之則越小。這一結(jié)果亦表明，地仗中土沙含量的不同會(huì)使其密度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致地仗透氣、透水性發(fā)生變化。

土沙比例由4:1至3:2變化的過程中，地仗試塊的波速隨麻刀的增加而增加，即地仗的密度有增大的趨勢(shì)。地仗中土沙比例為1:1至2:3時(shí)，地仗的波速變化不明顯。地仗中土沙比例為1:4時(shí)，地仗的波速有明顯減小的趨勢(shì)，即地仗的密度減小。

2.3 抗折、抗壓

圖3及圖4分別是不同配比地仗試塊的抗折、抗壓強(qiáng)度折線圖。由圖可見，相同比例的麻刀地仗試塊，土沙比例由高降低的過程，其抗折、抗壓強(qiáng)度有減小的趨勢(shì)，即土含量越高，試塊的抗折、抗壓強(qiáng)度越大；反之則越小。

在同一組試塊中(相同比例的土沙比)，麻刀含量由1.5-3％變化的過程中，地仗土沙比為4:1至7:3的試塊，其抗折、抗壓強(qiáng)度均有增大的趨勢(shì)，但土沙比為1:4的試塊，其抗壓強(qiáng)度增大，抗折強(qiáng)度減小。在每組試塊中，隨著麻刀含量的增加，其抗折、抗壓強(qiáng)度增大的幅度不盡相同。

三 結(jié)果與討論

3.1 人為因素的影響

地仗試塊由多次分批制成，在制作時(shí)，人為操作因素可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。

制作試塊的過程屬人工操作，在試塊攪拌的過程中，麻刀是否充分?jǐn)嚢杈鶆蚣捌湓诘卣讨蟹稚⒌某潭龋瑫?huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

另外，在制作試塊時(shí)，為保證同一組試塊中每個(gè)試塊的相同性及可重復(fù)性，一般用天平精確稱量，使平行試塊的濕重盡量相同。但在填充模具時(shí)，試塊表面的平整性及涂抹次數(shù)會(huì)使試塊密度發(fā)生變化，從而影響試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果。

3.2 波速與收縮率之間的關(guān)系

波速反映了試塊密度的變化，波速與試塊的收縮率成正比關(guān)系，即試塊的波速越大，其收縮率亦越大。測(cè)試結(jié)果表明，相同比例的麻刀地仗試塊，土沙比例由高降低的過程，其波速、收縮率均有減小的趨勢(shì)。而影響這些參數(shù)變化的原因是地仗中土沙比例的變化，土沙比例不同，會(huì)導(dǎo)致試塊在干燥過程中收縮率不同，從而影響其密度的變化。

地仗中土沙比例為1:4時(shí)，地仗的波速與收縮率亦有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即試塊膨脹，密度減小，波速亦減小。

在地仗中加入麻刀，其比例不同，對(duì)地仗的性質(zhì)亦有不同的影響。

3.3 抗折、抗壓與波速、收縮率的關(guān)系

測(cè)試結(jié)果表明，地仗的抗折、抗壓強(qiáng)度與波速、收縮率之間亦成正比關(guān)系。試塊干燥時(shí)，土沙比例由高降低時(shí)，其收縮率降低，密度減小，而相應(yīng)的抗折、抗壓強(qiáng)度亦隨之降低。但土沙比降至一定程度(土沙比=1:4)，地仗膨脹，密度增大，會(huì)導(dǎo)致其波速減小、抗折強(qiáng)度減小，抗壓強(qiáng)度增大。

3.4 壁畫地仗篩取原則

地仗是壁畫顏料依附的載體，其性能的好壞對(duì)壁畫的穩(wěn)定性有直接的關(guān)系。洞窟壁畫環(huán)境的特殊性，要求地仗具有一定的強(qiáng)度、收縮率小，同時(shí)具備一定的透氣、透水性。地仗中土沙比例越高，其抗折、抗壓性能越高，但其收縮率、密度較大，透氣、透水性較差而限制其使用。

試驗(yàn)結(jié)果表明，地仗中土沙比例不同，其性能亦不同，甚至產(chǎn)生完全相反的應(yīng)力。加入麻刀能顯著改善地仗的物理性能。隨著麻刀量的增加，其抗折、抗壓有明顯增大的趨勢(shì)。

研究地仗中土、沙、麻含量變化與地仗性能之間的關(guān)系，可為修復(fù)提供最佳的地仗配方，限于地仗性能受多種因素的影響。應(yīng)對(duì)不同配比的地仗進(jìn)行透氣、透水性進(jìn)行更深入研究，方可確定修復(fù)地仗所用的最佳配方，以更好地保護(hù)古代壁畫。

四 結(jié)論

1.地仗中土沙比例不同，其力學(xué)性能不同。地仗的抗折、抗壓強(qiáng)度與波速、收縮率之間成正比關(guān)系。土沙比例由4:1至3:7變化時(shí)，其收縮率降低，密度減小，波速減小，而相應(yīng)的抗折、抗壓強(qiáng)度亦隨之降低。地仗土沙比為1:4時(shí)，地仗干燥時(shí)膨脹，密度增大，會(huì)導(dǎo)致其波速減小、抗折強(qiáng)度減小，抗壓強(qiáng)度增大。土沙比一定時(shí)，地仗中加入麻刀會(huì)顯著改善地仗的抗折、抗壓性能。

2.在地仗由潮濕變?yōu)楦稍锏倪^程中，土沙比由4:1至3:7變化時(shí)，試塊體積會(huì)收縮；土沙比為1:4時(shí)，試塊體積會(huì)膨脹。這說明地仗中土沙比例不同，會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力和膨脹應(yīng)力兩種不同性質(zhì)的力，從而會(huì)對(duì)壁畫產(chǎn)生不同的影響。

3.目前敦煌壁畫地仗修復(fù)材料配方，土沙比約為3:2，麻刀含量約為3％。此配比的地仗在由潮濕變?yōu)楦稍锏倪^程中，會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力。其抗折強(qiáng)度約為0.84～0.95 T/MPa，抗壓強(qiáng)度約為2.58～3.75a/MPa，線性收縮率約為-0.91～-1.25％，縱波速約為1571～17620p/m·s^-1。