西安鐘樓基座表面污損及其成因分析

趙皓辰，周偉強(qiáng)，劉 煒

（1.西北大學(xué) 文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西 西安 710069；2.西安市鐘鼓樓博物館，陜西 西安 710000）

我國(guó)擁有大量古代建筑遺存，無論是巍峨的長(zhǎng)城、森嚴(yán)的古塔、還是雄偉恢宏的古建筑群落，無不凝聚著古代先民的智慧，這些殘存的建筑多以磚體作為基本材質(zhì)砌筑而成，對(duì)于傳承和研究古代文明有著極高的歷史、文化和藝術(shù)研究?jī)r(jià)值[1]。

以西安鐘樓為例，其砌筑模式為傳統(tǒng)磚包土結(jié)構(gòu)，由于降雨經(jīng)由臺(tái)明表面磚體進(jìn)入土體內(nèi)部，使得內(nèi)部夯土層長(zhǎng)期處于飽和液化狀態(tài)，其次，水分的進(jìn)入將富集在鐘樓表面的可溶鹽結(jié)晶同時(shí)帶入鐘樓基座磚體內(nèi)部，不利于鐘樓建筑的長(zhǎng)期穩(wěn)定且改變了鐘樓的歷史風(fēng)貌，對(duì)鐘樓墻體的長(zhǎng)期保護(hù)工作產(chǎn)生了較大影響（圖1）。

鐘樓作為西安地標(biāo)性建筑，其保護(hù)和利用受到文物管理部門的高度重視，自20世紀(jì)90年代鐘樓臺(tái)明磚砌墻體的酥堿泛鹽現(xiàn)象就引起了有關(guān)部門的高度重視，并啟動(dòng)了一系列的保護(hù)研究工作，但鐘樓表面鹽害問題并沒有得到有效解決。

在上述背景下，開展了西安鐘鼓樓基座鹽害污染腐蝕治理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，旨在探明鐘樓基座部位的病害種類以及為后期的治理工作提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1 鐘樓基座磚砌體典型病害

本次工作依照國(guó)家文物局相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鐘樓基座磚砌體表面污染鹽害腐蝕病害進(jìn)行分類與統(tǒng)計(jì)；調(diào)查的范圍為鐘鼓樓臺(tái)明基座東南西北四面，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查，四面基座區(qū)域皆為邊長(zhǎng)35.5 m的正方形基座，高為8.6 m，面積約為1 377.4 m2[2]。經(jīng)過對(duì)鐘樓臺(tái)明基座進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，并根據(jù)國(guó)家文物局磚石質(zhì)文物保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，文章將鐘樓臺(tái)明基座所包括的病害[3]分為6類：①鐘樓最主要的表面污損原因?yàn)橥苛细采w占40%，約為550.8 m2；②酥堿泛鹽占30%，約為413.1 m2；③潮濕占18%，約為247.86 m2；④空鼓占5%，約為68.85 m2；⑤磚體缺失占5%，約為68.85 m2；⑥水泥修補(bǔ)占2%，約為27.54 m2。

(1)涂料覆蓋（40%）：鐘樓臺(tái)明磚體存在丙烯酸材料涂刷現(xiàn)象（圖2），由于夾層鹽及其材料匹配性等問題，目前涂料層多次出現(xiàn)起甲與脫落現(xiàn)象。

(2)酥堿泛鹽（30%）：鐘樓磚體表面存在大量可溶鹽結(jié)晶，并在臺(tái)明磚體與丙烯酸涂層間出現(xiàn)夾層鹽現(xiàn)象（圖3）。

(3)潮濕（18%）：鐘樓墻體內(nèi)部飽水率過高，造成水鹽病害活躍，磚體酥堿粉化部位普遍存在潮濕現(xiàn)象[4]，且潮濕現(xiàn)象明顯（圖4）。

(4)空鼓（5%）：鐘樓原始?jí)γ鏋榍逅u墻，由于雨水沖淋、水鹽活動(dòng)導(dǎo)致局部殘損，經(jīng)后期不匹配材料修補(bǔ)后產(chǎn)生夾層鹽等病害，造成局部產(chǎn)生空鼓（圖5）。

(5)磚體掏蝕（5%）：由于鐘樓墻體常年暴露在自然環(huán)境中,導(dǎo)致磚體開裂及其表層層片狀剝落（圖6），該類現(xiàn)象在鐘樓墻體表面十分明顯。

(6)水泥修補(bǔ)（2%）：鐘樓磚體存在掏蝕與殘損情況，既往修復(fù)中存在水泥修補(bǔ)現(xiàn)象（圖7），由于水泥材料自身含有可溶鹽，加劇了周邊磚體的風(fēng)化現(xiàn)象。

本文對(duì)6種病害中的涂料覆蓋、酥堿泛鹽以及潮濕[5]這3類主要病害進(jìn)行闡述。前文提到，鐘樓的砌筑模式為傳統(tǒng)磚包土結(jié)構(gòu)，由于降雨等因素內(nèi)部夯土層長(zhǎng)期處于飽和液化狀態(tài)，外部鹽分也隨降雨進(jìn)入磚體內(nèi)部，破壞鐘樓臺(tái)明磚體的穩(wěn)定性，加之臺(tái)明表面蒸騰作用，會(huì)導(dǎo)致可溶鹽在磚砌體表面富集，磚體表面產(chǎn)生酥粉酥堿現(xiàn)象，從而磚面產(chǎn)生破損，而在既往保護(hù)過程中，采用丙烯酸材料進(jìn)行多次涂刷，由于丙烯酸涂層不具有透氣性，致使磚砌體通透性降低，內(nèi)部夯土層長(zhǎng)期處于飽和液化狀態(tài)，水分難以排出，使得鐘樓基座磚砌體潮濕現(xiàn)象嚴(yán)重[6]。涂層涂刷模式?jīng)]有從根本上解決表面鹽害富集問題，可溶鹽在涂層下堆積，不僅導(dǎo)致涂層起甲起翹，而且會(huì)在磚體與灰縫表層形成夾層鹽害，致使表面鹽害向磚層內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致掏蝕現(xiàn)象逐步加劇，部分磚體逐步向內(nèi)“掏蝕”，缺失達(dá)到1/3以上，不得不頻繁進(jìn)行“掏補(bǔ)替換”或采用水泥灰漿進(jìn)行表面磚體的修復(fù)修補(bǔ)處理，因其與磚體原材料不匹配，不僅沒有起到修復(fù)保護(hù)作用，反而加劇了鹽害程度，出現(xiàn)層片狀脫落，并加劇周邊墻面風(fēng)化[7]，這種涂刷層使得鐘樓失去了傳統(tǒng)古建筑原有的清水磚墻的典型風(fēng)貌，同時(shí)由于丙烯酸涂刷層不具有通透性，經(jīng)常出現(xiàn)表面起甲起翹，剝離脫落等病害，涂層的覆蓋又導(dǎo)致了臺(tái)明內(nèi)部土體的含水量逐年增加，經(jīng)探測(cè)其內(nèi)部土體處于飽水狀態(tài)，可能會(huì)造成上部建筑的穩(wěn)定性造成潛在威脅[8]（圖8）。

既往的保護(hù)措施并未終止或減緩鐘樓表面的水鹽破壞，并呈現(xiàn)出逐步加劇的現(xiàn)象，磚面的泛鹽現(xiàn)象呈現(xiàn)出加劇趨勢(shì)，磚體表面掏蝕與夾層鹽的破壞愈發(fā)明顯。

2 病害成因分析

由于鐘樓基座墻體有大面積潮濕及可溶鹽析出現(xiàn)象，且都伴隨著大量丙烯酸涂料覆蓋現(xiàn)象，為探明這幾種病害相互間關(guān)系，劃定了一塊2 m×2 m的試驗(yàn)區(qū)域（圖9）并對(duì)表面可溶鹽及涂料層分別進(jìn)行采樣，分析有機(jī)涂料及可溶鹽的具體成分，對(duì)后期的保護(hù)工作可以起到有效的指導(dǎo)作用，故對(duì)其進(jìn)行紅外分析和離子色譜檢測(cè)。

分別對(duì)鐘樓東面墻體底部（圖10）3塊磚體內(nèi)部1～5 cm及表面析出的可溶鹽進(jìn)行取樣。

經(jīng)過離子色譜檢測(cè)后，樣品中陰離子包括：Cl-、、，陽離子包括：Na+、K+、Mg2+、Ca2+，所檢測(cè)區(qū)域、Na+含量很高（圖11、圖12）。

分別取3個(gè)樣品（圖13）對(duì)鐘樓基座涂料層進(jìn)行檢測(cè)。

分析儀器采用Nicolet iN10 FI-IR Microscope（含Nicolet iZ10 FT-IR輔助光學(xué)臺(tái)）顯微紅外光譜儀，均取少許樣品粉末置于BaF2窗片上，紅外測(cè)試（iN10，MCT/A檢測(cè)器，透射，BaF2片為背景），樣品用酒精溶解，進(jìn)行透射光譜檢測(cè),分析結(jié)果如表1。

經(jīng)過紅外檢測(cè)得出結(jié)論，所采集的表面涂料樣品中主要檢測(cè)出聚苯乙烯丙烯酸樹脂，其中主體為丙烯酸丁酯和苯乙烯的共聚物；樣品中含有碳酸鈣、硫酸鈣以及硅酸鹽類物質(zhì)，其中硫酸鈣具有吸濕性、刺激性等特點(diǎn)，對(duì)鐘樓基座磚體的水鹽破壞不僅沒有遏制，反而會(huì)加劇水鹽破壞對(duì)基座磚體的損害。

表1 涂料層分析

在鐘樓基座許多部位由于涂料層長(zhǎng)期涂刷，其強(qiáng)度與原磚體強(qiáng)度不一致且影響磚體內(nèi)部水分蒸發(fā)，造成空鼓現(xiàn)象明顯[9]（圖14）。

如果對(duì)鐘樓基座磚砌體表面的丙烯酸涂料采用繼續(xù)涂刷或不加以治理，有可能造成大面積基座磚砌體內(nèi)部水分由于無法自然排出，而轉(zhuǎn)移至其他強(qiáng)度較弱磚體處，造成強(qiáng)度較弱處磚體表面長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，并產(chǎn)生空鼓現(xiàn)象，對(duì)鐘樓造成不可逆的破壞[10]。

3 結(jié)束語

從以上探查可知，鐘樓基座磚砌體存在明顯的涂料層覆蓋污染現(xiàn)象，破壞模式與鐘樓大量涂刷丙烯酸涂料有極大的關(guān)系，不透氣聚苯乙烯丙烯酸樹脂合成的涂料進(jìn)行表面遮蔽處理，導(dǎo)致磚體內(nèi)部水分無法排出，并在磚體與涂料層間形成夾層鹽，該涂料與原始磚體材料機(jī)械強(qiáng)度不匹配，極易在涂刷部位磚體產(chǎn)生拉張性裂縫，水分沿拉張性裂縫析出，故會(huì)在拉張性部位形成厚層狀空鼓與開裂，導(dǎo)致磚體表面產(chǎn)生巨厚狀、層片狀剝落。由此可見，鐘樓磚砌體存在后期保護(hù)過程中導(dǎo)致的層片狀剝落，對(duì)臺(tái)明磚體長(zhǎng)期保存不利。從目前角度來說，表面涂刷材料不透氣是巨厚狀層片狀剝落產(chǎn)生的根本原因是亟須解決的重要問題[11]。

由此，建議鐘樓基座磚體應(yīng)去除涂料層，以恢復(fù)磚層透氣性，避免夾層鹽的產(chǎn)生，這樣才有利于抑制巨厚狀層片狀剝落的產(chǎn)生，并防止空鼓現(xiàn)象加劇而破壞現(xiàn)存良好磚體。