文物建筑灌漿修復效果科技檢測技術應用研究
——以杭州閘口白塔保護工程為例

葉 良,李強強

(浙江科技學院 土木與建筑工程學院，杭州 310023)

白塔位于錢塘江北岸，之江路北側，為五代時期古塔，宋《夢粱錄》、元代《古杭雜記》、清《湖山便覽》也都有關于白塔的記載。白塔高16 m，整體由白石雕刻砌筑而成,是八角九層仿木構樓閣式古建筑，根據白塔的建筑時代風格和營造技術手法，鑒定該塔為五代吳越后期的建筑[1]。白塔構造精美別致，具有較高的歷史價值、藝術價值和文化價值，但由于長期暴露在自然環(huán)境中，再加上近年來人類社會活動的影響，白塔表面風化、結構性裂縫等病害突出，因此，2014年相關部門啟動了杭州閘口白塔加固與防風化保護工程。目前，對該類文物建筑修復效果檢測的應用研究多局限于對石質文物清洗效果，以及實驗室材料模擬老化試塊的檢測研究，如：周華等[2]采用色差儀、顯微視頻成像儀及三維形貌儀對云崗石窟清洗效果進行檢測；曹秋彬等[3]通過CM-2600d分光測色計測試模擬石質文物在6種腐蝕老化環(huán)境中的色度變化環(huán)境因素對石質文物表面色度的影響；雷濤[4]篩選出石質文物表面封護材料、加固材料和黏結材料的主要性能指標，建立評價指標并將其應用于重慶大足石刻的模擬試塊；施鐵櫻等[5]提出了常規(guī)檢測評估技術、實驗室檢測評估技術及現(xiàn)場無損檢測評估技術在石質文物表面化學清洗效果檢測方面的應用。Gaspar等[6]則采用激光干涉儀，用白色光線干涉度量法測定石質文物表面三維形貌和波陣來比較激光清洗、化學清洗、蒸汽清洗的效果及可靠性。此外，目前的一些檢測技術多用于石質文物建筑修復前期的病害勘察，比如：姚遠[7]利用超聲波技術在石質文物風化病害檢測進行了研究；周霄[8]等利用回彈法對石質文物建筑物理力學性進行檢測；馬宏林等[9]利用超聲波及首波幅度對石質文物裂隙進行了檢測及分析；魏立巖[10]提出了一種石質文物材料及病害視頻檢測方法；安程[11]研究了非穩(wěn)態(tài)熱濕耦合模擬技術在石質文物內部濕熱情況檢測中的應用。目前，針對石質文物建筑本體修復材料及修復效果檢測與評價的研究相對較少，因此，筆者以杭州閘口白塔保護工程修復效果科技檢測為例，重點探討微波濕度法、紅外熱成像技術、色差檢測方法在石質文物建筑灌漿加固效果檢測方面的應用研究。

圖1 修繕中的杭州閘口白塔Fig.1 White Pagoda being repaired in Zhakou, Hangzhou

1 白塔病害勘察與灌漿加固工藝

1.1 白塔病害勘察分析

白塔自建成以來，作為航標塔，歷經風霜，受風吹日曬乃至雷擊，導致其表面風化較為嚴重，表面鐫刻經文和佛像等石刻磨損嚴重，且塔身存在多道橫向貫裂縫隙和縱向貫裂縫隙，多層塔檐存在缺損開裂現(xiàn)象。因此，多種復雜的結構性病害對白塔的保存壽命造成了極大的威脅，修繕中的白塔見圖1，具體病害統(tǒng)計如表1所示。從表1可以看出,白塔存在的主要病害類型為結構縫、塔身開裂、塔檐開裂和塔檐缺損，其中結構縫主要存在于3層及以下部位，塔身開裂主要產生于第1至第7層，塔檐開裂及缺失較為普遍，第8層塔身出現(xiàn)局部缺損。

表1 白塔病害勘察情況Table 1 Disease investigation of White Pagoda

1.2 白塔灌漿加固工程

1.2.1 灌漿加固材料成分

針對白塔開裂、結構縫等病害，灌漿加固工程選用了兩種不同材料：水硬性石灰和糯米灰漿，其基本性能如表2所示。水硬性石灰色澤白灰，收干固化時間較短，質地較塔身的石灰?guī)r而言略為疏松脆弱。糯米灰漿色澤白灰，收干時間較長，未干透時韌性和黏結強度較大，材料徹底干透固化后質地較塔身材質而言更為堅固，且黏結性較好。兩種材料都是目前較為成熟的保護材料，在不可移動文物的保護和加固領域應用得也比較廣泛。

表2 修復材料基本性能Table 2 Basic properties of repairing materials

1.2.2 灌漿工藝

白塔修復工程內部選用糯米灰漿進行填充，采用飽和注入灌漿法，即石縫底部開1個小孔，從石縫上部注入灌漿材料，直至底部小孔滲出停止，該方法可確保石縫內部空隙處被灌漿材料充分填滿。為避免第一次灌漿因滲透壓過小而無法完全滲入石縫內部，待材料表面稍干固化后再灌注1次。

糯米灰漿灌注完成后，再距離石縫外部勾填一遍水硬性石灰，因水硬性石灰收干固化時間短，其強度、硬度較塔身石灰?guī)r材質更弱，遇自然因素破壞時，石灰材料先行風化，以保護內部石材和糯米灰漿材料的安全。

2 白塔灌漿加固效果檢測與分析

對于加固效果，傳統(tǒng)的檢測指標是檢測灰漿表面回彈強度和灰漿貫入深度。但是，回彈強度需要利用彈簧式回彈儀對表面進行回彈作業(yè)，對新加固的、可能未完全固化的材料而言，可能會造成損傷，并且操作時帶來的震動對石縫旁邊的塔身而言也存在一定的隱患。因此不宜采用回彈法進行檢測。貫入法測灰漿強度是業(yè)內傳統(tǒng)的檢測手段，其原理是利用貫入儀的彈簧將測針射入灰漿表面，然后測量測針貫入深度，再根據相關公式計算得到灰漿的強度值。但是本次工程剛剛完成，內部采用的糯米灰漿未完全固化，其質地仍較為軟濕，此時如用貫入法進行測量，非但得到的指標缺乏客觀性，同時也會在灰漿內部產生較多孔洞，造成灰漿灌注不均勻，影響加固效果。因此也不宜采用貫入法進行檢測。本次工作采用微波濕度儀、紅外熱成像儀對修復材料性能和灌漿加固深度兩項指標進行檢測。另外，對文物建筑的修復應遵循修舊如舊的原則，修復時不僅要使用原工藝、原材料，修復后的文物建筑還應保持其原有的歷史面貌，故本次檢測增加了一項修復效果的色差檢測指標。

2.1 微波濕度法檢測與分析

圖2 MOIST210B型微波濕度儀Fig.2 MOIST210B microwave hygrometer

微波法通過發(fā)射和回收微波對材料內部水分進行檢測，用以判斷其內部空隙情況，做到對文物建筑加固材料完全無損檢測[12]。由于水分子是強極性分子，能夠將外界電場的能量以勢能的形式存儲起來，且水吸收損耗的能力要大于其他電介質，所以當微波通過材料時其能量會產生衰減，衰減量取決于該材料含水量，材料含水量越大即濕度越大，其能量損耗越大。工作時對同一測點采用不同深度的探頭發(fā)射微波，探測到的頻率數(shù)值單位為兆赫(MHz)，對每個測點不同深度多次測量，取平均值進行分析，可以判斷其內部水分分布情況，如某一深度的頻率損失過大，則說明此深度的材料內部濕度較大即存在較大空隙可以儲存水分。在本次檢測工作中，采用德國MOIST210B型微波濕度儀(圖2)，選取具有代表性的白塔第2、3、6、7層加固處若干，采用不同探測深度的探頭對其內部濕度進行探測，計算并分析其內部空隙情況，判斷灌漿加固的深度和效果，具體微波濕度檢測數(shù)據如表3所示。

圖3 白塔各層塔身微波濕度折線圖Fig.3 Line chart of microwave humidity of tower body of White Pagoda

選取了灌漿加固點進行檢測，灌漿深度為9～11 cm左右。根據檢測數(shù)據可以看出隨著灌漿深度的不斷增大，內部濕度呈現(xiàn)先小幅度變化，后急劇降低，至最低值后又開始緩慢上升的趨勢(圖3)。

由于本次灌漿內部材料采用糯米灰漿，是收干較為緩慢的材料，所以在3～7 cm深度時濕度增大，正好反映了糯米灰漿內部濕潤的情況。3層東灌漿處因處于腳手架圍擋的漏光處，檢測時正值太陽直接照射，因此濕度是呈下降趨勢的，與其他幾處有所區(qū)別。濕度至11 cm深處達到最低值，而后緩慢上升。這說明濕潤的糯米灰漿滲入深度基本達到9～11 cm，11 cm以上的深度就基本沒有糯米灰漿分布了。深11～30 cm處的濕度上升說明了塔身石塊內部存在空隙，因為空氣濕度總是大于致密石材內部濕度。另外，根據數(shù)據分析得到，從塔的2層至7層，同一探測深度上，每層的濕度數(shù)據相差無幾，這說明從地下上滲的水汽不多。

2.2 紅外熱成像技術檢測與分析

任何溫度大于-273 ℃的物體都是熱輻射源，而紅外熱成像技術正是基于物體的熱輻射特性，根據物體表面缺陷及材料的熱特性所產生的溫度場的變化來對物體進行無損檢測的一種方法[13]。當修復面與粘接材料之間有空鼓或者剝離時，因空氣導熱系數(shù)較低經修復面?zhèn)鬟f的熱量會在材料缺陷處堆積，使得有材料缺陷的位置與正常的位置溫度變化不一致[14]。所以，通過紅外熱成像技術可以對材料粘接修復效果進行檢驗與監(jiān)測，同時紅外熱成像技術對文物表面完全無損，是安全可靠的檢測手段。

灌漿材料如果品質較低或加工不均勻，內部存在雜質或氣泡，其材質比熱值偏差較大，在紅外熱成像圖像中反映出來是不均勻的溫度值域。灌漿材料如若選擇不當，其儲熱性能過高或過低的，與塔身石材不同步吸熱或放熱，會干擾周圍石材的冷熱運動速率，加速毛細水和鹽分的遷移運動，在紅外熱成像圖像中反映出來是溫度變化的差值在長時間內未歸零。因此，在本次檢測工作中，要觀察加固處內部溫度變化的均勻情況，以及加固處和周邊緊貼的石材溫度變化差值。利用戶外溫度較高的自然條件，對塔身進行噴水降溫試驗。檢測選取了塔身第3層4處灌漿修復點進行紅外熱成像檢測試驗，首先利用噴壺將蒸餾水均勻噴至塔身灌漿處表面1次，噴水時間為2 min左右，再用FLIR型紅外熱像儀觀測在目標時間段內灌漿處和周圍石材溫度變化的情況。4處試驗都選取了第3層塔身灌漿處進行。噴水前灌漿處溫度比石材略高，說明灌漿材料吸熱性能比石材要高一些。噴水后過5 min測量得到，灌漿處和石材表面溫度基本上回到噴水前，說明水分沒有長期停留在材料內部，材料內部透水性能良好，材料本身較為均勻致密，黏結效果良好。如果紅外熱成像照片上出現(xiàn)表面溫度的明顯斷層，說明灰漿和石材之間已經脫開，黏結作用失去。根據圖4各檢測點紅外熱成像圖片可以看到，溫度的過渡十分均勻，并沒有出現(xiàn)明顯的斷層情況。這說明塔身灌漿材料的黏結性能很好，材料內部均勻致密，沒有出現(xiàn)松動脫開的現(xiàn)象。

圖4 各檢測點降溫試驗前后紅外熱成像對比Fig.4 Comparison of infrared thermal imaging before and after cooling test of each detection point

2.3 白塔修復效果色差檢測

為定量檢測修復材料與白塔石材色度差異并為后期修復效果色差監(jiān)測提供數(shù)據基礎，本次檢測試驗采用三恩牌NR110型數(shù)字顯示色差儀，對閘口白塔第1、2、4、6層選定點位進行了色差檢測。色差儀所檢測的色差是指用定量的方式來表示兩種顏色給人們色彩感覺上的差異，這種差異是顏色的3種指標即L(明度)、a(彩度)、b(色相)綜合作用的結果[15],另外用C(飽和度)和H(色調)輔助評價色差。通常而言，如果ΔL為正，說明試樣2比式樣1顏色淺；如果ΔL為負，則說明試樣2比試樣1顏色深。若Δa為正，表明試樣2比試樣1紅(或者少綠)；若Δa為負，則說明試樣2比試樣1綠(或者少紅)。若Δb為正，表明試樣2比試樣1黃(或者少藍)；反之亦然。

根據國際照明委員會CIE(International Commission on Illumination)色差公式[16]:

ΔEab=[(L1-L2)2+(a1-a2)2+(b1-b2)2]1/2。

(1)

式(1)中：ΔEab為色差值；L1、L2為修復前后明度值；a1、a2為修復前后彩度值；b1、b2為修復前后色相值。

雖然目前許多研究者在其他領域也提出了相關色差計算公式，但是在文物保護領域CEI76應用較廣泛，所以本次檢測仍采用式(1)對白塔修復材料與白塔最初修建所用原材料綜合色差ΔEab進行分析評價，表4為相應檢測點色差原始數(shù)據，表5則為根據式(1)計算出的各檢測點色差值，圖5則是根據表5繪制出的各檢測點色差柱狀圖。

從表5結合圖5可以看出，閘口白塔剛修復后所用水硬性石灰和糯米灰漿材料與白塔原有材料色差比較明顯，其中色差最明顯的是6層2面和2層2面檢測點，色差相對較小的是1層7面檢測點；而從修復材料(即原材料)之間的對比來看，修復材料色差僅為0.84，即表明所用修復材料各批次色差較小，明顯色差產生的原因應是一千多年來閘口白塔受自然環(huán)境的影響在各檢測點與原有材料色差明顯，各檢測點修復材料色度會在一定時期內接近原材料色度,因此需要進一步監(jiān)測色差變化情況。

表4 白塔色差檢測數(shù)據Table 4 Color difference detecting data of White Pagoda

圖5 各檢測點修復前后色差 Fig.5 Color difference of each detection point before and after repairing

表5色差計算結果

Table5Calculation result of color difference

檢測點位色差值ΔEab1層原材料0.841層1面12.461層7面9.882層2面25.424層2面12.526層2面35.23

3 結 論

文物建筑灌漿加固效果科技檢測是對其修復材料和修繕工藝的一種重要評價手段，也為文物建筑的安全保存提供保證，本研究通過對杭州閘口白塔灌漿修復效果科技檢測數(shù)據的分析，可以得出如下結論：

1)通過對微波濕度數(shù)據結合紅外熱成像圖像分析可知，白塔平均灌漿深度為9～11 cm,黏結材料與本體兼容性較好，即表明本工程灌漿加固工程采用“內用糯米灰漿黏結，外施水硬性石灰加固”的工藝是合適且經濟的，灌漿深度符合要求，灌漿材料質量可靠，且具有一定的推廣價值。

2)根據色差數(shù)據分析，白塔修復材料色差會受環(huán)境影響而變化，與白塔石材表面色度接近程度，以及修復材料與原材料色差還需長期進一步監(jiān)測。

3)微波濕度、紅外熱成像等科技檢測技術的應用能夠較為科學地對石質文物建筑展開全面的病害診斷與系統(tǒng)的修復效果檢測評估，這為石質類文物建筑的保存與后期的監(jiān)測等相關研究提供有力的數(shù)據支撐。

4)閘口白塔作為浙江省內年代較為久遠的石塔，其表面風化和結構威脅屬于比較典型的，發(fā)育比較成熟的病害。對這樣程度的病害修復工程進行檢測，具有代表性和示范性，因此有必要對灌漿材料的持久性、灌漿效果的長期性以及白塔病害的新情況進行長期監(jiān)測。

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