乾隆御制碑病害的現(xiàn)場檢測與評估

何海平，徐樹強(qiáng)，王菊琳

(1． 首都博物館，北京 100045； 2． 北京化工大學(xué)材料電化學(xué)過程與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3． 文物保護(hù)領(lǐng)域科技評價(jià)研究國家文物局重點(diǎn)科研基地(北京化工大學(xué))，北京 100029)

0 引 言

首都博物館北廣場東北角矗立的乾隆御制碑由碑帽、碑身、碑座三部分組成，石碑為立方柱形，巖性為漢白玉大理巖，整個(gè)石碑通高約6.7m，重超過40噸[1]，保存狀況較好。碑座為束腰須彌座，刻有精美的卷草花紋。這個(gè)巨型石碑的文物價(jià)值主要在于滿、漢文刻著乾隆皇帝御制的《帝都篇》《皇都篇》兩首詩篇，比較生動、具體地表達(dá)了乾隆皇帝“在德不在險(xiǎn)”和“居安思?！钡闹螄枷?。乾隆御制碑對研究北京作為都城的歷史，特別是研究康乾盛世的治國理念和中華民族多元一體格局確立的因果關(guān)系乃至乾隆皇帝的文學(xué)成就和書法藝術(shù)都具有重要的史料價(jià)值，是一件重要文物。該碑原立于北京天橋十字路口西北方的“斗姆宮”內(nèi)，1915至1919年間被移至先農(nóng)壇，后因工程需要，碑的各個(gè)部件陸續(xù)被埋到地下，直至2005年才被重新發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過北京古代建筑博物館和首都博物館專家的精心修復(fù)，于2006年5月18日(國際博物館日)安置于此[2-3]，迄今已有十余年。十余年來，乾隆御制碑一直被不可移動的鋼結(jié)構(gòu)玻璃罩保護(hù)，該玻璃罩高7.65m，東西寬2.9m，南北寬2.8m，玻璃罩每面都開有通風(fēng)孔?，F(xiàn)今，玻璃罩東面的玻璃破裂，石碑表面布滿灰塵。由于玻璃罩的阻隔，無法對石碑進(jìn)行病害檢測和維護(hù)，對石碑的安全和保存極為不利，因此2016年首都博物館啟動了乾隆御制碑保護(hù)工程。乾隆御制碑保護(hù)工程首先將原有玻璃罩拆除，然后對石碑病害進(jìn)行研究并根據(jù)病害情況提出保護(hù)方案，最后經(jīng)過專家論證后進(jìn)行保護(hù)工作。本工作重點(diǎn)介紹乾隆御制碑的主要病害與保存現(xiàn)狀研究。

1 御制碑表層病害調(diào)研

御制碑表層主要病害分布與病害調(diào)研布點(diǎn)情況見圖1，采用肉眼觀察并用數(shù)碼相機(jī)記錄乾隆御制碑表層病害的照片。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，御制碑未出現(xiàn)嚴(yán)重的脫落與缺損病害。石碑的主要表層病害見圖2，石碑表面污染與變色病害嚴(yán)重，主要為粉塵污染。由B-BZ3可見，由于碑座刻有卷草花紋與多種圖案，石材表面平整度下降，形成很多利于灰塵沉積的區(qū)域，因而碑座的積塵現(xiàn)象更為嚴(yán)重。D-BZ1中間部位為方便進(jìn)行石材物理力學(xué)性能指標(biāo)測試而將灰塵掃除，周圍部位為未經(jīng)清理的灰塵，通過清理部位與未清理部位對比，不難看出積塵病害嚴(yán)重。碑身積塵嚴(yán)重區(qū)域同樣分布于刻有花紋及字跡等不平整處，清理時(shí)應(yīng)給予更多注意?；覊m在石質(zhì)文物表面堆積與富集，不僅會遮蔽其表面的精美紋飾與造型，影響文物的藝術(shù)價(jià)值與觀瞻性，而且影響了石材的透氣性，容易引發(fā)石材內(nèi)部出現(xiàn)病害。此外，灰塵中可能含有SO3等酸性固體廢棄物，在降雨的作用下形成硫酸，容易造成石材表面出現(xiàn)溶蝕與結(jié)殼病變。石碑部分位置出現(xiàn)溶蝕(B-BS1)、結(jié)殼(D-BZ3)、結(jié)垢(X-BS1)與銹跡變色(X-BZ1)病害，這些病害的面積雖不是很大，但使得被污染部分石材的顏色與石碑本體的顏色差別很大，影響了石碑整體的美觀。此外，石碑表面存在若干淺表性風(fēng)化裂隙(如B-BZ1與B-BS2)。

測點(diǎn)編號B-BZ1中“-”之前的B表示方向北，“-”之后的BZ表示構(gòu)件名稱“碑座”， 其他縮寫方式：D-東，N-南，X-西，BS-碑身，以下同。尺寸測量單位為cm。 圖1 乾隆御制碑測試布點(diǎn)圖Fig.1 Layout of the test points on the Qianlong imperial monument

圖2 御制碑表層病害Fig.2 Surface diseases of the imperial monument

2 御制碑保存狀況的無損/微損檢測

為了確定御制碑風(fēng)化、裂隙發(fā)育程度及御制碑整體的保存狀況，本研究對石碑不同病害部位進(jìn)行超聲波速、膠帶結(jié)合力測試，通過測試得出石碑風(fēng)化程度、表面裂隙深度等以評估石碑風(fēng)化與保存狀況。

2．1 風(fēng)化程度檢測

為了確定御制碑風(fēng)化狀況，繼而為后續(xù)制定石碑修繕方案提供依據(jù)，并根據(jù)御制碑病害分布情況，采用ZBL-520型非金屬超聲波檢測儀以對測的方式對圖1中石碑若干部位進(jìn)行超聲波檢測。超聲波測試使用的發(fā)射與接收換能器探頭直徑為3.8cm，發(fā)射電壓500V，采樣周期0.4μs。采用面粉團(tuán)作為被測石材與換能器間的耦合劑，面粉團(tuán)是由面粉與水按照1∶12的質(zhì)量比混合配制成糊狀半流態(tài)，測試過程中確保每個(gè)換能器所用面粉團(tuán)質(zhì)量相同，將面粉團(tuán)制作成與換能器面積大小相同的薄層圓餅狀并黏附于換能器上，然后將換能器按壓于被測石材表面。與傳統(tǒng)使用的黃油、凡士林等耦合劑相比，采用面粉團(tuán)作為耦合劑的優(yōu)點(diǎn)為，在保證檢測精度的前提下，測試后面粉團(tuán)易去除，不會對石材表面產(chǎn)生負(fù)面影響[4]。

超聲波法測試的基本原理是通過分析超聲波在被測物體中的傳播特性來判斷被測物的物理性質(zhì)。巖石風(fēng)化后，其礦物成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，超聲波速降低，人們通常把測得的風(fēng)化巖體的波速與新鮮巖石波速比較，通過風(fēng)化巖石與新鮮巖石波速比Vi/V0反映巖石的整體風(fēng)化程度[5-6]。參考巖土工程勘察規(guī)范GB 50021—2001[7]中風(fēng)化巖石與新鮮巖石波速比Vi/V0與風(fēng)化程度的對應(yīng)關(guān)系，本工作采用的巖石風(fēng)化程度分級評價(jià)方法見表1。

表1 石材風(fēng)化程度與波速比對照表

表1中的風(fēng)化巖石超聲波速Vi通過現(xiàn)場測試得到；對于新鮮巖石超聲波速，由于條件限制，未能取得新鮮巖石樣品，故無法嚴(yán)格測量新鮮巖石超聲縱波速度，為了能夠進(jìn)行比較，可以借鑒相關(guān)公式計(jì)算出新鮮巖石的縱波波速，縱波波速計(jì)算公式如下[5]：

式中，E為楊氏彈性模量；γ為泊松比；ρ為巖石密度。

乾隆御制碑的材質(zhì)為大理巖，經(jīng)查閱相關(guān)資料得知大理巖的楊氏彈性模量E在9.62～74.827GPa范圍內(nèi)，泊松比γ在0.06～0.35范圍內(nèi)，密度ρ在2600～2800kg/m3范圍內(nèi)。此研究是為了評估大理巖的風(fēng)化程度，對于新鮮大理巖，E可取74.827GPa，γ可取0.35，ρ取2600kg/m3，由此可計(jì)算出新鮮大理巖的理論最大縱波波速值V0=6.79km/s，這與馬濤等[8]設(shè)定大理巖的超聲波速數(shù)值相近，可以采用此數(shù)值作為石碑未風(fēng)化前的超聲波速，此處只具有相對比較意義。

此外，為了輔助說明石碑風(fēng)化狀況，參考規(guī)范[9]采用微損的膠帶結(jié)合力測試條測試石碑表面測點(diǎn)的酥粉質(zhì)量(測試條前后質(zhì)量差)以評估石碑的表面風(fēng)化情況。膠帶結(jié)合力試驗(yàn)是一種常用的附著力測試方法，其具體操作方法是將膠帶黏貼于試樣的試驗(yàn)部位上，手指按壓膠帶1min，沿垂直于試樣方向用力迅速撕去膠帶，檢查被試區(qū)域是否有脫落現(xiàn)象，并確定測試前后膠帶結(jié)合力測試條質(zhì)量變化。在本次現(xiàn)場測試中，采用的膠帶結(jié)合力測試條尺寸為長3cm，寬2cm。以膠帶測試條質(zhì)量的增加作為石碑表層風(fēng)化物脫落的定量指標(biāo)，膠帶測試條質(zhì)量增加越大則石碑表面顆粒附著力越小，石碑表面風(fēng)化越嚴(yán)重。為了提高檢測精度，并排除石碑表面灰塵等沉積物的影響，在附著力測試前采用軟毛刷與洗耳球?qū)@些沉積物進(jìn)行適當(dāng)清理，以露出石碑表面為宜。

現(xiàn)場檢測得到的石碑超聲波速(Vi)、超聲波速比(Vi/V0)及相對應(yīng)石碑各測點(diǎn)的風(fēng)化程度見表2，石碑各測點(diǎn)不同風(fēng)化程度所占百分比見圖3。由以上數(shù)據(jù)可知，輕度風(fēng)化占很大比例，其次是孔隙度增加，嚴(yán)重風(fēng)化只占很小的比例，表明乾隆御制碑整體風(fēng)化程度輕微，不存在完全風(fēng)化狀態(tài)。此外，對于碑座及碑身的超聲波速測值，南北方向的測值均普遍大于東西方向的測值，這可能是由于石碑內(nèi)部存在南北方向的紋理，超聲波垂直紋理通過時(shí)會減慢聲波的傳播從而減小超聲波速值[4]，也可能是由于石碑東西方向上受外界因素影響大于南北方向而導(dǎo)致風(fēng)化程度較高。

表2 石碑若干部位超聲波速及風(fēng)化程度

圖3 御制碑不同風(fēng)化程度所占百分比Fig.3 Proportions of different weathering degrees of the imperial monument

膠帶結(jié)合力測試結(jié)果見表3。石碑各測點(diǎn)處由膠帶結(jié)合力測試條黏下的表面酥粉質(zhì)量范圍為0.6～4.7mg，但由于沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可供參考，無法從酥粉質(zhì)量定量評估石碑表面風(fēng)化程度，只能依據(jù)酥粉質(zhì)量的大小比較不同測試部位的風(fēng)化程度高低。但將石碑各測點(diǎn)的超聲波速比與酥粉質(zhì)量相關(guān)聯(lián)(圖4)后發(fā)現(xiàn)，二者之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，二者體現(xiàn)出來的石碑風(fēng)化程度相互吻合。雖然超聲波對測法測試的是石碑整體(包括內(nèi)部與表層)風(fēng)化情況，但對于漢白玉大理石巖性的乾隆御制碑而言，其巖石結(jié)構(gòu)較為致密，風(fēng)化往往由表層向巖石內(nèi)部逐漸發(fā)展，且風(fēng)化層較淺。石碑超聲波速的衰減與石碑表層風(fēng)化應(yīng)有較大關(guān)系。而膠帶結(jié)合力測試方法得到的表面酥粉質(zhì)量變化規(guī)律更是印證了這一點(diǎn)。在本研究中，處于輕微風(fēng)化狀態(tài)的石碑測點(diǎn)，酥粉質(zhì)量較小，而評估為嚴(yán)重風(fēng)化的X-BS2測點(diǎn)酥粉質(zhì)量最大?？傮w來看，石碑風(fēng)化程度輕微。

表3 膠帶結(jié)合力測試結(jié)果

圖4 石碑測點(diǎn)酥粉質(zhì)量與超聲波速比關(guān)聯(lián)圖Fig.4 Relationship between crisp powder quality and ultrasonic velocity ratio of detection points on the imperial monument

2.2 表面裂隙深度檢測

為了了解御制碑表面裂隙發(fā)育情況，并從安全性角度評估表面裂隙對石碑的影響，選取石碑表面較發(fā)育裂隙測試其深度，以期為后續(xù)修繕工作提供依據(jù)。鑒于巖石類材料與混凝土材料在某些物理力學(xué)性能上的相似性，參考混凝土表面裂縫深度的檢測方法[10-11]，采用超聲波單面平測法測試石碑表面裂隙深度，所采用的測試儀器與測試參數(shù)同2.1節(jié)，具體的測試步驟如下。

1) 不跨縫測試。將發(fā)射換能器(T)和接收換能器(R)置于裂縫附近同一側(cè)，將換能器T耦合在T位置不動，然后將換能器R依次耦合在各測點(diǎn)R1，R2，…，Rn(n≥3)位置上，且T，R1，R2，R3，…，Rn在同一條直線上，并保證R1，R2，…，Rn相鄰測點(diǎn)之間的間距相等，本測試中相鄰測點(diǎn)間距為50mm。分別讀取各測點(diǎn)的聲時(shí)ti(μs)， 繪制“時(shí)—距”圖。由圖可得到l與t的相關(guān)性曲線：l=a+b*ti。其中，l表示測距；t表示測距對應(yīng)的聲時(shí)；a，b為回歸系數(shù)。

圖5 石碑表面裂縫深度測試布點(diǎn)圖Fig.5 Layout of the test points for crack depth on the monument surface

2) 跨縫測試。分別將T和R換能器置于以裂縫為對稱的兩側(cè)，并測出兩個(gè)換能器的間距l(xiāng)1，l2，…，ln，分別讀取測點(diǎn)的聲時(shí)t’1，t’2，…，t’n。

裂縫深度h按式(2)計(jì)算，最后對多次測得的h進(jìn)行分析，舍去誤差較大的數(shù)據(jù)，對保留的數(shù)據(jù)取平均值。

由裂隙深度不跨縫檢測數(shù)據(jù)擬合得到的“時(shí)—距”圖見圖6，跨縫檢測數(shù)據(jù)見表4。

圖6 不跨縫測試擬合“時(shí)—距”圖Fig.6 Fitting diagram of “time-distance” without crossing the crack表4 跨縫測試及裂縫深度數(shù)據(jù)Table 4 Test data crossing the crack and crack depth

裂縫編號t/μsl/mmh/mmLF1-152.810074.19LF1-250.410069.23

根據(jù)式(2)計(jì)算得到的石碑表面裂隙深度見表4，測試所得裂隙的平均深度約71.71mm，相對于石碑整體的尺寸1437.00mm，裂隙深度占石碑總體尺寸的4.99%，從目前看這些裂隙對石碑造成的破壞較小。但為防止其進(jìn)一步向縱深開裂，可采取一定的修補(bǔ)加固措施，也可先行監(jiān)測，暫緩修復(fù)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果再擬定修補(bǔ)措施。

2.3 石碑表面顏色變化與顯微形貌

為了確定石碑表面病害、污染對石碑顏色的影響及了解石碑表面微觀形貌，采用JZ-300型便攜式色差計(jì)測試石碑各測點(diǎn)的色度數(shù)據(jù)L*、a*、b*值并記錄，應(yīng)用CIE1976色差公式及其表色系統(tǒng)CIELab測量物體顏色的色空間，兩種顏色的色差△E*是它們在CIE1976(L*，a*，b*)色空間中兩位置的幾何距離，由式(3)計(jì)算：

(3)

注： 表中“無典型病害”是指該部位未出現(xiàn)結(jié)殼、結(jié)垢、溶蝕、臟污、銹跡等表面污染病害。

石碑表面典型病害處的顯微形態(tài)見圖7。石碑表面不同病害部位均存在一定的淺層風(fēng)化層， 風(fēng)化層內(nèi)出現(xiàn)不同程度的風(fēng)化顆粒形態(tài)， 有的風(fēng)化顆粒尚未脫落(B-BS2)， 有的風(fēng)化顆粒則大部分脫落(B-BS1)， 風(fēng)化程度不一。但風(fēng)化層之下的石材結(jié)構(gòu)仍較為致密， 表明石碑表面風(fēng)化程度輕微。此外， 通過顯微形貌觀察可以清晰地看出石碑結(jié)殼(D-BZ3)、 結(jié)垢(X-BS1)、 銹跡(X-BS2)與臟污(X-BS3)部位發(fā)生的變色現(xiàn)象， 有效地印證了采用測試石碑色度數(shù)據(jù)而得出的石碑表面病害、 污染改變石碑顏色的結(jié)論。

圖7 石碑不同病害處的顯微形貌Fig.7 Micro morphology of different diseases on the weathered stone

3 結(jié) 論

采用數(shù)碼相機(jī)、非金屬超聲波檢測儀、膠帶結(jié)合力測試條、便攜式色差計(jì)、便攜式視頻顯微鏡等對首都博物館乾隆御制碑部分病害及保存狀況進(jìn)行了現(xiàn)場、無損/微損檢測與評估。用超聲波平測法可測量石碑表面裂隙發(fā)育深度，并對發(fā)育較深、寬度較窄的難以用常規(guī)丈量工具測試的裂隙深度有較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。用超聲波對測法可評估石碑的整體風(fēng)化程度，用膠帶結(jié)合力測試法可對石碑表面風(fēng)化程度進(jìn)行評估，二者結(jié)合使用能更準(zhǔn)確地評估出石碑不同部位的風(fēng)化程度，并得到相互印證的效果。用便攜式色差計(jì)可方便、快捷、準(zhǔn)確地采集石碑色度數(shù)據(jù)，定量地評估石碑的顏色變化。通過觀察便攜式視頻顯微鏡對石碑表面的放大圖，可直觀、清晰地看出石碑表面石材的顯微結(jié)構(gòu)、風(fēng)化形態(tài)等。

經(jīng)多種現(xiàn)場、無損/微損檢測方法評估后得出，乾隆御制碑整體保存較完整，未出現(xiàn)嚴(yán)重的脫落與缺損現(xiàn)象。石碑表面污染與變色病害嚴(yán)重，主要為粉塵污染，且碑座的粉塵污染現(xiàn)象較碑身嚴(yán)重，粉塵主要分布于刻有花紋及字跡等不平整處，清理時(shí)應(yīng)給予更多注意。部分位置存在輕微結(jié)垢、結(jié)殼、溶蝕與銹跡污染病害，使得被污染處石材的顏色與石碑本體的顏色差別很大，影響了石碑整體的美觀，應(yīng)予以清除。石碑整體風(fēng)化程度輕微，表面裂隙發(fā)育輕微，但為防止裂隙與風(fēng)化進(jìn)一步加深，可采取一定的修補(bǔ)、加固、封護(hù)措施并進(jìn)行長期監(jiān)測。