左江花山巖畫面層搶險(xiǎn)加固材料的選擇與研發(fā)

戴仕炳　王金華

摘要：由于繪制崖壁的地質(zhì)、氣候等因素，左江花山巖畫出現(xiàn)了開裂等嚴(yán)重病害。在比較所有可選材料的性能后選擇了天然水硬石灰作為面層搶險(xiǎn)加固黏結(jié)材料，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室配方研發(fā)遴選、無巖畫表面實(shí)驗(yàn)檢測(cè)、有巖畫表面工藝驗(yàn)證與質(zhì)量評(píng)估體系研究，明確了花山巖畫搶險(xiǎn)加固采用天然水硬石灰制備的材料體系及其工藝，為全面展開搶救性保護(hù)工程提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：左江花山巖畫；巖畫病害；巖畫搶險(xiǎn)加固；巖畫保護(hù)

一、引言

左江花山巖畫，作為古駱越文化的象征，具有極高的歷史和藝術(shù)價(jià)值，堪稱世界巖畫史上罕見的精品。自1988年被公布為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位以來，各級(jí)保護(hù)研究單位展開了多種嘗試，以保護(hù)花山巖畫。巖畫本體巖體開裂、脫空、剝落、崩塌等是花山巖畫存在最嚴(yán)重的威脅病害之一，對(duì)巖畫的破壞是最直接的，在開始加固之前處于發(fā)展、惡化狀態(tài)。

花山巖畫保護(hù)的核心工作是巖畫本體開裂的加固，而開裂巖體加固的核心工作是加固材料的選擇，并研發(fā)出適合花山巖畫及其所處氣候環(huán)境的材料系統(tǒng)。從2006年開始，在國(guó)家文物局、廣西壯族自治區(qū)文化廳等的直接指導(dǎo)下，由中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院組織，同濟(jì)大學(xué)、上海德賽堡建筑材料有限公司等單位聯(lián)合開展適合花山巖畫搶救加固材料的研發(fā)，取得了重要突破。成果經(jīng)專家評(píng)估指導(dǎo)，課題組完善后于2012年至2014年大面積實(shí)施。

二、花山巖畫的病害特點(diǎn)

除了巖溶、植物苔蘚等覆蓋外，開裂剝落是花山巖畫首要病害。這些開裂一方面與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，表現(xiàn)為斷層、節(jié)理等；另一方面與巖石的劣化有關(guān)。大量的與巖畫的價(jià)值保存密切聯(lián)系的病害是和崖壁壁面平行或成一定角度的片層狀開裂和剝落。裂隙寬度變化很大，有宏觀裂隙與微裂隙的區(qū)別；走向不一，有平行崖壁的主要裂縫、平行崖壁的次要裂縫、垂直崖壁的顯性裂縫、隱性裂隙等。新開裂的裂隙壁面干凈，但是舊裂隙內(nèi)有鈣質(zhì)沉積、泥質(zhì)沉積、昆蟲尸體等附著物。

非地質(zhì)構(gòu)造裂隙的成因與石灰?guī)r體的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、劇烈溫差變化、干濕交替等有關(guān)?；ㄉ綆r畫的載體及所在區(qū)域的特殊地質(zhì)環(huán)境使花山巖畫長(zhǎng)時(shí)間暴露在日光直射下，巖畫所在巖壁溫度可達(dá)50℃以上，花山巖畫的載體為致密石灰?guī)r，主要成分為方解石，方解石在受熱時(shí)發(fā)生各向異性的膨脹收縮，導(dǎo)致巖石的塊狀一粉末狀分解。裂縫的長(zhǎng)度和寬度隨溫差及干濕交替變化會(huì)輕微變化，一些隱形的微觀裂隙也可能進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大。當(dāng)裂隙擴(kuò)大到一定程度，連接部位不足以支撐整個(gè)表層巖片時(shí)會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的掉落。

此外，凝結(jié)水/冷凝水也是導(dǎo)致壁畫顏料脫落的罪魁禍?zhǔn)字?，巖畫表面的顏料脫落大部分與冷凝水有關(guān)。

三、搶救加固材料的選擇

由于花山巖畫本體處于自然的山崖上，無法采用預(yù)防性的環(huán)境控制手段，病因無法得到根除或緩解。所以，解決的策略以穩(wěn)定巖壁、搶救保存現(xiàn)有巖壁表面的巖畫為首要目的。為達(dá)到此目的，須選擇一種適合的保護(hù)材料對(duì)開裂巖畫進(jìn)行粘結(jié)注漿加固，同時(shí)避免干預(yù)措施引起的新的病害，同時(shí)要求冷凝水對(duì)壁畫的影響通過此次搶救加固后能夠得到緩解。

參照現(xiàn)有文獻(xiàn)，花山巖畫本體開裂巖體加固材料應(yīng)該滿足以下要求：

（1）具有穩(wěn)定、長(zhǎng)久的粘結(jié)強(qiáng)度，材料對(duì)環(huán)境要求低，特別是要能在有凝結(jié)水時(shí)和較高溫度下施工，凝結(jié)水對(duì)固化不發(fā)生大的影響。

（2）與巖畫巖體性能相近結(jié)構(gòu)相近、熱膨脹系數(shù)相近；加固好的巖片如果再開裂，應(yīng)該仍然沿老的主要裂紋發(fā)展，而不要在巖石中產(chǎn)生新的裂紋，或者使次要裂縫發(fā)展成主要裂縫，所以要求新的加固粘結(jié)材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于花山石灰?guī)r強(qiáng)度。

（3）與巖畫巖體的化學(xué)兼容性：采用與花山巖畫的石材在化學(xué)成分上相近的無機(jī)材料，保證材料的吸水性和透氣性。

（4）犧牲性保護(hù)：加固粘接材料應(yīng)具備高吸水性，通過犧牲自己緩解凝結(jié)水對(duì)巖畫的影響。

（5）不存在后續(xù)衍生的問題，如污染、析水、析鹽。

（6）耐老化。

在比較了環(huán)氧樹脂、水泥、硅橡膠、硅酸乙酯等材料后，選擇天然水硬石灰作為粘結(jié)劑開發(fā)出適合的材料。在大量的國(guó)際國(guó)內(nèi)調(diào)查研究”及研究團(tuán)隊(duì)早期的研究成果基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)天然水硬石灰具有足夠的強(qiáng)度粘貼加固已經(jīng)脫落或者開裂的表面石片；天然水硬石灰與石灰?guī)r具有良好的化學(xué)兼容性，作為無機(jī)材料，與石灰?guī)r有類似的熱膨脹收縮性能；較高的吸水率及透氣性；可溶鹽含量低，對(duì)巖畫影響??；相比有機(jī)材料，耐老化性能好；在未完全碳化時(shí)，具有自愈性。

四、花山巖畫搶救性加固材料的研發(fā)

在原材料方面，選擇了天然水硬石灰及改善性能的各種助劑（見表1），添加助劑的目的是改善諸如流動(dòng)性、收縮性等性能，使天然水硬石灰更適合使用，助劑的添加總量控制在重量比0.8%以內(nèi)。

根據(jù)施工工藝要求，設(shè)計(jì)了兩個(gè)材料類型，即封口粘接劑、注漿粘接劑，并擬定了技術(shù)指標(biāo)（見表2）。

為避免技術(shù)失誤起見，研發(fā)工作分三個(gè)階段進(jìn)行（見表3），地點(diǎn)分別選擇在上海、花山及北京，以判別不同氣候條件、不同實(shí)驗(yàn)條件下天然水硬石灰的固化洼能。

在所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均滿足花山巖畫保護(hù)的要求后，開展大面積的施工。

五、結(jié)論與展望

由于較低的收縮性，德國(guó)Hessler公司生產(chǎn)的NHL2和法國(guó)St Astier生產(chǎn)的NHL5適合作為注漿材料的粘結(jié)劑使用。添加總量小于0.8%的助劑可以大大改善注漿料的流動(dòng)性，降低收縮，工藝可行，通過對(duì)2009-2010年現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估，使粘結(jié)、注漿工藝成熟，保證了大面積施工。

此次花山巖畫的保護(hù)為搶救性的，還有很多保護(hù)技術(shù)工作需要進(jìn)一步深化?；ㄉ綆r畫本體搶救性加固的材料性能指標(biāo)的設(shè)定是基于研究團(tuán)隊(duì)的總結(jié)并征詢了專家意見基礎(chǔ)上提出的，這一指標(biāo)從2008年設(shè)定到2013年主要搶救工程結(jié)束，初步檢驗(yàn)說明是科學(xué)的，但是從長(zhǎng)效角度，需要檢測(cè)加固后巖畫的特征指標(biāo)，并長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)巖畫的表觀變化，分析這些變化是否與此次采用的材料有關(guān)而給出答案。另一方面，大量的微裂隙未來要發(fā)展成為宏觀裂隙，威脅巖畫的安全，需要開發(fā)出適宜的材料與工藝。近年來，基于醇類的微米石灰在石灰?guī)r類文物保護(hù)、灰塑等方面的研究取得重要進(jìn)展，為花山巖畫全面保護(hù)指明了方向。