隋棲巖道場(chǎng)舍利塔碑的科學(xué)分析與保護(hù)修復(fù)

南普恒，田進(jìn)明，王曉毅，張 紅

(1.山西省考古研究院，山西太原 030001；2.永濟(jì)市博物館，山西運(yùn)城 044500)

0 引 言

隋棲巖道場(chǎng)舍利塔碑于1979年被公布為第一批全國(guó)書(shū)法藝術(shù)名碑，現(xiàn)收藏于山西省永濟(jì)市博物館。由于碑身石質(zhì)斑駁，點(diǎn)痕如魚(yú)子，亦名“魚(yú)子碑”。2014—2015年，在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了保護(hù)修復(fù)方案，對(duì)斷裂病害嚴(yán)重的碑身實(shí)施了粘接修復(fù)，恢復(fù)了碑身原貌。同時(shí)，結(jié)合保管展陳需要，設(shè)計(jì)制作了移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)。此項(xiàng)保護(hù)修復(fù)為石質(zhì)文物，尤其是石碑保護(hù)修復(fù)積累了經(jīng)驗(yàn)，提供了相關(guān)技術(shù)借鑒。

1 石碑概況

1.1 基本信息

碑首螭首篆書(shū)題“大隋河?xùn)|郡首山棲巖道場(chǎng)舍利塔之碑”。碑身35行楷書(shū)碑文，字體古拙端嚴(yán)，具魏碑向唐楷過(guò)渡的書(shū)法風(fēng)格，內(nèi)容以隋文帝復(fù)興佛法、廣建舍利塔為核心，表彰了隋太祖、文帝、煬帝締構(gòu)佛綱、弘揚(yáng)道法的功德，為了解隋代蒲州佛教與佛寺發(fā)展提供了重要的實(shí)物資料[1]。通高334.2 cm(含碑身下榫頭)，寬99.3～114.8 cm，厚35.1～39.0 cm，石灰?guī)r；碑座為龜趺座，與碑身分離，通高90.5 cm，寬143.3 cm，長(zhǎng)119.8 cm，石灰?guī)r。

1.2 主要病害

碑座基本完整，露天保存，表面溶蝕、裂隙病害較多，局部存在少量刻畫(huà)、鐵銹等病害。碑身殘損嚴(yán)重，室內(nèi)保存，主要有殘缺、斷裂(圖1)及積塵等病害，尤以斷裂病害最為嚴(yán)重，殘塊達(dá)百余塊。此外，碑身殘塊斷面多數(shù)存在一層厚約0.5～1.3 mm的水銹結(jié)殼。碑身正面碑文清晰，內(nèi)容相對(duì)完整，背面碑文局部缺失，局部模糊。

圖1 碑身斷裂、殘缺病害Fig.1 Disease of fracture and mutilation in the stele

2 科學(xué)分析

2.1 現(xiàn)狀記錄

為記錄碑座和碑身殘塊保存現(xiàn)狀，使用美國(guó)天寶地面相位式三維激光掃描儀和北京天遠(yuǎn)OKIO-colour高精度真彩光柵式三維掃描儀分別對(duì)碑座和碑身較大殘塊進(jìn)行了數(shù)字化采集，獲取了高精度三維數(shù)字模型，真實(shí)、全面地記錄了石碑各部分保存現(xiàn)狀。

同時(shí)，借助計(jì)算機(jī)軟件，根據(jù)碑身殘塊斷面的三維特征，使用特征匹配技術(shù)還原了殘塊原始相對(duì)位置，并通過(guò)自動(dòng)統(tǒng)一坐標(biāo)系復(fù)原出了碑身原貌，實(shí)現(xiàn)了碑身的虛擬復(fù)原(圖2)。

圖2 虛擬重建的碑身三維模型(正面、背面)Fig.2 Three-dimensional model of the stele body with virtual reconstruction

2.2 材質(zhì)分析

2.2.1成分分析 使用日本島津公司生產(chǎn)的XRF-1800型X射線(xiàn)熒光光譜儀對(duì)碑身和碑座試樣進(jìn)行了成分分析，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 碑身基巖XRF分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the bedrock by XRF (%)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：4 kW端窗銠(Rh)靶X光管，管口鈹窗厚度為75 μm，電壓、電流分別為40 kV和95 mA。

成分分析顯示，碑身中含有較多的鈣、硅、鎂、鐵等，說(shuō)明石材中可能含有較多的方解石或白云石。另外，較之基巖，碑身表面部分鈣含量略低，鐵、鋁含量略高，可能是風(fēng)化作用導(dǎo)致的表面泥化及綠泥石-蛇紋石化現(xiàn)象所致。碑座基巖鈣含量較高，硅、鐵及鋁等含量均較低，與碑身存在一定差異。

2.2.2巖相分析 使用德國(guó)卡爾·蔡司Axioskop40Pol研究級(jí)數(shù)字透射偏光顯微鏡對(duì)碑身和碑座試樣進(jìn)行了巖相分析(圖3)。

圖3 碑身基巖巖相照片F(xiàn)ig.3 Lithofacies photo of the bedrock of the stele body

巖相分析顯示，碑身石材為白云質(zhì)鮞?；?guī)r，碑座石材為白云質(zhì)灰?guī)r。

2.2.3物相分析 使用日本理學(xué)的D/Max-IIIA型X射線(xiàn)粉末衍射儀對(duì)碑身和碑座石材試樣進(jìn)行了礦物組成分析，分析結(jié)果詳見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 碑身基巖XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of the bedrock of the stele body

圖5 碑座基巖XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of the bedrock of the stele pedestal

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：X射線(xiàn)CuKα(0.154 18 nm)，管壓40 kV，管流100 mA，掃描速度8°/min，采數(shù)步寬0.02°。

XRD分析顯示，碑身礦物組成主要為方解石、白云石或鐵白云石、石英，碑座礦物組成主要為白云石、方解石。

2.3 病害分析

2.3.1微觀形貌分析 微觀形貌分析能直觀顯示和表征石質(zhì)文物風(fēng)化程度，因此使用日本基恩士VHX-600E型超景深視頻顯微鏡對(duì)3塊碑身殘塊進(jìn)行了微觀形貌分析。

顯微分析顯示，碑身材質(zhì)為鮞?；?guī)r，鮞粒顆粒截面多呈直徑0.9～1.9 mm的圓形。碑身表面呈輕微風(fēng)化狀，膠結(jié)物的風(fēng)化程度相對(duì)鮞粒顆粒嚴(yán)重(圖6)，表面部分文字風(fēng)化程度較大。相對(duì)而言，碑身斷面的鮞粒顆粒和膠結(jié)物風(fēng)化程度均較輕。

圖6 碑身殘塊表面微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the front of the stele fragment

2.3.2表面硬度分析 一般而言，當(dāng)石質(zhì)文物表面發(fā)生風(fēng)化時(shí)，其表面硬度也會(huì)相對(duì)斷面降低，因此采用國(guó)產(chǎn)便攜式里氏硬度計(jì)對(duì)6塊碑身殘塊的外表面硬度和斷面硬度分別進(jìn)行了測(cè)試。

硬度分析表明，碑身外表面硬度為352.1～524.1，且多在420以下，而斷面硬度則為596.2～599.7，略高于外表面，表明風(fēng)化程度較輕，與微觀形貌分析結(jié)果相符。

2.3.3拉曼光譜分析 使用法國(guó)HoRIBA公司生產(chǎn)的XpLORA共焦顯微拉曼光譜儀對(duì)碑身殘塊斷面的水銹結(jié)殼(圖13)試樣進(jìn)行了拉曼光譜分析。

該款儀器采用氬離子激光器，配備532 nm、633 nm、785 nm激光器，物鏡50×，光斑尺寸1 μm，光柵1 200，5×10 s掃描頻次。

拉曼分析顯示(圖7)，2件水銹結(jié)殼樣品具有相似的拉曼峰值，與碳酸鈣CaCO3的拉曼光譜圖譜[2]極為吻合，應(yīng)為碳酸鈣。

圖7 碑身殘塊水銹結(jié)殼拉曼光譜圖Fig.7 Raman spectrum of the remains on the surface of the stele body

2.3.4超聲波檢測(cè) 使用國(guó)產(chǎn)ZBL-U520非金屬超聲波檢測(cè)儀對(duì)碑座裂隙發(fā)育情況進(jìn)行了透射法超聲波檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，采取四層左右對(duì)測(cè)，以確定裂隙是否貫通。從頭部至尾部，碑座底層編號(hào)1～9，中層編號(hào)1～5，上層編號(hào)1～7，頂層編號(hào)1～2。

檢測(cè)表明(表2)，26處測(cè)試部位中，僅有8處接收到超聲波信號(hào)，且主要分布在碑擔(dān)榫槽壁、龜趺頭部及龜趺上層、中層及底層局部，其余18處均未收到超聲波信號(hào)，表明碑座內(nèi)部存在較多貫穿裂隙。

表2 碑座超聲波檢測(cè)分析結(jié)果表Table 2 Analysis results of the ultrasonic testing for stele pedestal

另外，新鮮石灰?guī)r的超聲波波速一般在6 km/s左右。超聲波檢測(cè)分析結(jié)果顯示，碑座碑擔(dān)榫槽壁無(wú)裂隙部位的超聲波波速為5.67 km/s，說(shuō)明此部位石材表面風(fēng)化程度不高，孔隙率增加不大，風(fēng)化程度較輕。而碑座其他部位的超聲波波速降低卻較為明顯，超聲波波速多在3 km/s左右，局部甚至為1.44 km/s，說(shuō)明風(fēng)化程度已經(jīng)較為嚴(yán)重。

整體而言，碑座整體力學(xué)性能下降較為嚴(yán)重。

2.4 材料分析

目前，石碑修復(fù)使用的粘接材料多為環(huán)氧樹(shù)脂。結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察，確定在江西慈化E44(6101)、上海派爾科STONE FIX、江西慈化CH31及浙江合眾AAA四種環(huán)氧樹(shù)脂中進(jìn)行遴選。

從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度來(lái)看，碑身殘塊粘接修復(fù)完成后，膠黏劑受到的力主要來(lái)自于拉伸和剪切兩方面，因此膠黏劑的粘接性能優(yōu)劣也應(yīng)主要從拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度兩方面遴選。理想的實(shí)驗(yàn)材料是與碑身石材一致的鮞粒灰?guī)r，但與碑體石材一致的鮞粒灰?guī)r樣品較難獲取。相對(duì)而言，鋼鐵試樣的制作加工較為便利，也容易使粘接面光滑度相對(duì)一致。再者，在粘接介質(zhì)相同，且粘接面光滑度相近的情況下，拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度大小也能一定程度反映不同膠黏劑粘接性能的優(yōu)劣。因此，膠黏劑的遴選最終使用了統(tǒng)一加工、尺寸相同的鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣，并使用SANS公司生產(chǎn)的CMT5105A微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度測(cè)試。

1) 拉伸強(qiáng)度。通過(guò)靜載荷作用下的拉伸實(shí)驗(yàn)獲得，采用圓柱形鐵棒作為標(biāo)準(zhǔn)試樣。

首先，使用游標(biāo)卡尺在相互垂直的方向上分別測(cè)量膠合面直徑，并取平均值作為試樣粘接面面積A；隨后，使用酒精清潔標(biāo)準(zhǔn)試樣粘接面，分別使用4種膠黏劑粘接標(biāo)準(zhǔn)試樣，并各制樣三組。靜置24 h，使膠黏劑完全固化；最后，分組逐一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣緩慢施加軸向拉力，拉開(kāi)的同時(shí)測(cè)出施加的最大載荷Ft，并根據(jù)力學(xué)公式σt=Ft/A，分別計(jì)算出四類(lèi)膠黏劑的拉伸強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)氧樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度Table 3 Tensile strength of epoxy resin

拉伸強(qiáng)度測(cè)試顯示，四種膠黏劑的平均拉伸強(qiáng)度依次為CH31>E-44>AAA>STONE FIX，其中CH31環(huán)氧樹(shù)脂的平均拉伸強(qiáng)度最大。

2) 剪切強(qiáng)度。通過(guò)靜載荷作用下的剪切實(shí)驗(yàn)獲得，采用長(zhǎng)方體規(guī)則鐵板作為標(biāo)準(zhǔn)試樣。

首先，使用游標(biāo)卡尺對(duì)膠合面長(zhǎng)、寬進(jìn)行三次測(cè)量取平均值，并根據(jù)平均值計(jì)算粘接面面積A；隨后，使用酒精清潔標(biāo)準(zhǔn)試樣粘接面，分別用4種膠黏劑粘接標(biāo)準(zhǔn)試樣，并各制樣三組。靜置24 h，使膠黏劑完全固化；最后，分組逐一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣緩慢施加軸向載荷，膠合面斷裂同時(shí)測(cè)出施加的最大載荷F，并根據(jù)Fs=F/2計(jì)算出Fs，進(jìn)而由τ=Fs/A得到剪切強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 環(huán)氧樹(shù)脂剪切強(qiáng)度Table 4 Shear strength of epoxy resin

剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，四種膠黏劑的平均剪切強(qiáng)度依次為CH31>AAA>E-44>STONE FIX，其中CH31環(huán)氧樹(shù)脂的平均剪切強(qiáng)度最大。

3 有限元仿真分析

石碑碑座和碑身現(xiàn)處于分離狀態(tài)，分別保存于室外和室內(nèi)。通過(guò)保護(hù)修復(fù)，在碑身粘接修復(fù)的基礎(chǔ)上，可以使碑座和碑身恢復(fù)成結(jié)合和分離兩種狀態(tài)。結(jié)合狀態(tài)下(圖8)，碑身下部長(zhǎng)方形接榫插入碑座碑擔(dān)中央的長(zhǎng)方形榫槽中，使碑身立于碑座之上，恢復(fù)石碑的原有形貌；分離狀態(tài)下，碑身不再與碑座結(jié)合，保持現(xiàn)有分離狀態(tài)，但仍集中存放或展示(圖9～10)。

圖8 碑座和碑身結(jié)合豎立效果Fig.8 Erection effect for the combination of the stele pedestal and body

圖9 碑座和碑身分離豎立效果Fig.9 Erection effect for the seperation of the stele pedestal from body

兩種保護(hù)修復(fù)思路均可實(shí)現(xiàn)，但各有利弊。碑身與碑座結(jié)合，恢復(fù)了石碑的原有形貌，是最理想的狀態(tài)。但病害調(diào)查和超聲波檢測(cè)顯示，碑座裂隙發(fā)育嚴(yán)重，多數(shù)裂隙基本貫穿，整體力學(xué)強(qiáng)度嚴(yán)重下降，尤其是碑座至碑擔(dān)部位肉眼可見(jiàn)一條明顯裂隙。另外，根據(jù)虛擬復(fù)原結(jié)果，碑身體積約1.24 m3，密度測(cè)試數(shù)據(jù)為3 300 kg/m3，重約4 t。如果碑身與碑座結(jié)合，立于碑座之上，碑座受損的風(fēng)險(xiǎn)較大。碑身與碑座分離，雖然一定程度上與石碑原貌不符，但提高了碑座的安全系數(shù)，更有利于文物的安全和保護(hù)。

圖10 碑座和碑身分離側(cè)立效果Fig.10 Side effect for the seperation of the stele pedestal from body

實(shí)現(xiàn)碑身和碑座分離存放，碑身有豎立和側(cè)立兩種存放方式。目前，碑身斷裂病害嚴(yán)重，沿厚度方向斷裂甚至多達(dá)5層，僅大塊殘塊就多達(dá)24塊，如果實(shí)現(xiàn)豎立存放或保存，勢(shì)必需要在碑身厚度和高度方向埋設(shè)很多錨桿，與最小干預(yù)的保護(hù)原則不符；其次，碑身殘塊較多，粘接面也較多，而室外保存條件下環(huán)氧樹(shù)脂的失效期也會(huì)一定程度縮短。碑身高達(dá)3.3 m，加上輔助底座，高度可達(dá)4 m左右。如果環(huán)氧樹(shù)脂失效，局部殘塊從碑身掉落，損壞程度會(huì)更大，也不利于再次保護(hù)修復(fù)；最后，從碑身斷裂分布來(lái)看，豎立保存或展示，會(huì)使碑身大部分重量傳遞于底部邊緣局部，導(dǎo)致受力不均勻，碑身受損風(fēng)險(xiǎn)較大。相對(duì)而言，碑身如果側(cè)立放置，降低了高度，擴(kuò)大了受力面積，可能更有利于碑身的保護(hù)和安全。

為科學(xué)評(píng)估碑身豎立和側(cè)立修復(fù)的安全性，同時(shí)深入了解碑身使用環(huán)氧樹(shù)脂粘接修復(fù)后的應(yīng)力分布，使用Abaqus、SolidWorks軟件及Lagrange算法對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真分析，從而確定了安全有效的保護(hù)修復(fù)方式，并為后期保護(hù)修復(fù)實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

首先，將碑身三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks程序進(jìn)行面光滑和斷面填充；隨后，將三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行材料屬性、邊界條件、面面接觸及重力添加等設(shè)置。同時(shí)，對(duì)CH31環(huán)氧樹(shù)脂粘接性能在100%、75%、50%、25%及5%時(shí)碑身的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。

有限元仿真分析結(jié)果(表5)顯示，相同條件下，碑身側(cè)立放置的安全系數(shù)要遠(yuǎn)大于豎立放置的安全系數(shù)。安全系數(shù)是材料的極限強(qiáng)度與其許用應(yīng)力的比值，它是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值，可以理解為統(tǒng)一的強(qiáng)度概念[4]。對(duì)于膠黏劑而言，其許用強(qiáng)度即是材料本身的極限強(qiáng)度，而粘接面的最大應(yīng)力即是材料的許用應(yīng)力，也是材料必須達(dá)到的強(qiáng)度，兩者比值即是膠黏劑的安全系數(shù)。當(dāng)膠黏劑的許用強(qiáng)度大于粘接面的最大應(yīng)力時(shí)，黏結(jié)劑的安全系數(shù)大于1，粘接性能仍然有效，粘接面不會(huì)發(fā)生位移，粘接的碑體是安全的；當(dāng)膠黏劑的許用強(qiáng)度小于粘接面的最大應(yīng)力時(shí)，膠黏劑的安全系數(shù)小于1，粘接性能可能已失效，粘接面可能會(huì)發(fā)生位移，粘接的碑體是不安全的。換言之，一定程度上，安全系數(shù)越大，表明粘接后的碑體越安全。

表5 有限元仿真分析結(jié)果Table 5 Results of finite element simulation analysis

當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂CH31的粘接性能降至25%時(shí)，豎立放置的安全系數(shù)為5.13，，而此時(shí)側(cè)立放置的安全系數(shù)仍高達(dá)12.96，安全性較高。當(dāng)粘接性能降至5%時(shí)，豎立放置的安全系數(shù)僅為0.43，粘接性能已不能滿(mǎn)足粘接需要，而此時(shí)側(cè)立放置的安全系數(shù)為2.40，粘接性能仍能滿(mǎn)足粘接需要。

另外，需要指出的是，仿真分析顯示側(cè)立放置時(shí)最大應(yīng)力主要分布在碑首局部和碑身側(cè)面局部(圖11)，保護(hù)修復(fù)時(shí)應(yīng)特別注意。

圖11 碑身側(cè)立放置應(yīng)力云圖(粘接性能25%)Fig.11 Stress nephogram for side stand of the stele body

綜合以上分析，不難看出，采用碑座和碑身分離、碑身側(cè)立放置的保護(hù)修復(fù)方式更有利于石碑的安全和保護(hù)。經(jīng)認(rèn)真研究，最終確定石碑保護(hù)修復(fù)采取碑座和碑身分離，且碑身側(cè)立放置的保護(hù)思路。

同時(shí)，考慮后期的展陳需要，確定將碑身和碑座分別保護(hù)修復(fù)于2輛不銹鋼結(jié)構(gòu)的移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)之上，以便石碑的移動(dòng)運(yùn)輸和未來(lái)展陳。

4 移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

碑身和碑座體量較大，移動(dòng)極為不便，設(shè)計(jì)保護(hù)平臺(tái)的目的是為了滿(mǎn)足以后的保管和展陳需要，因此移動(dòng)性和安全性是平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心原則。

經(jīng)認(rèn)真研究，以碑身虛擬復(fù)原數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制作了與碑身側(cè)面和碑座三維形狀基本吻合的不銹鋼移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)，并充分考慮了移動(dòng)和靜置時(shí)碑身的安全性和穩(wěn)定性，深化了關(guān)鍵部位的安全設(shè)計(jì)。

保護(hù)平臺(tái)(圖12)主要包括以下關(guān)鍵部件。

圖12 碑身移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)Fig.12 Mobile conservation platform of the stele body

1) 側(cè)斜支撐面。根據(jù)虛擬復(fù)原數(shù)據(jù)，在移動(dòng)平臺(tái)碑身側(cè)立放置部位設(shè)計(jì)了三角形的不銹鋼側(cè)斜支撐面，以確保碑身側(cè)面與平臺(tái)接觸部位受力均勻。

2) 側(cè)立支架。碑身側(cè)立時(shí)，碑身接榫和碑首部分部位會(huì)懸空，為確保穩(wěn)定和安全，在移動(dòng)平臺(tái)對(duì)應(yīng)部位分別設(shè)計(jì)了梯形和弧形支撐體，并在弧形支撐體上預(yù)留了工藝孔。待碑身側(cè)立放置后，使用不銹鋼螺絲和專(zhuān)用樹(shù)脂螺帽從弧形支撐體背面支撐碑首，以確保受力均衡。

3) 側(cè)翼護(hù)板。為防止保存中，因震動(dòng)引起碑身晃動(dòng)和不均勻受力，設(shè)計(jì)了三角形側(cè)翼護(hù)板。當(dāng)碑身靜置保存時(shí)，用不銹鋼螺絲和專(zhuān)用樹(shù)脂螺帽將側(cè)翼護(hù)板固定于碑身兩側(cè)，從而使碑身和移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)連接為一個(gè)整體。

4) 靜置立柱。為防止碑身靜置保存時(shí)，車(chē)輪因長(zhǎng)期受力而受損，在車(chē)輪內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了支撐立柱。當(dāng)碑身靜置保存時(shí)，降下支撐立柱負(fù)荷碑身和保護(hù)平臺(tái)的重力，減少車(chē)輪負(fù)荷。

5) 減振裝置。在車(chē)輪上方設(shè)計(jì)和安裝了專(zhuān)用的減震裝置，以減少移動(dòng)過(guò)程中因路面不平整而引起的震動(dòng)。

6) 方向控制桿。為便于移動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)前后均設(shè)計(jì)了方向控制桿，用以控制平臺(tái)的移動(dòng)方向。

5 保護(hù)修復(fù)實(shí)施

5.1 碑身修復(fù)

按照側(cè)立放置的保護(hù)思路，碑身修復(fù)主要包括以下步驟：

5.1.1編號(hào)記錄 碑身殘塊較多，原編號(hào)已無(wú)法核對(duì)，為便于修復(fù)記錄，根據(jù)碑身虛擬復(fù)原結(jié)果，結(jié)合修復(fù)需要，按照碑身結(jié)構(gòu)在虛擬復(fù)原圖上對(duì)體量較大的斷裂殘塊重新編號(hào)，共編號(hào)49個(gè)。同時(shí)，在修復(fù)過(guò)程中，通過(guò)拍照、描述等方式詳細(xì)記錄了各殘塊的保存現(xiàn)狀、尺寸及主要病害等信息。

5.1.2表面清潔 在根據(jù)虛擬復(fù)原結(jié)果對(duì)碑身殘塊進(jìn)行拼對(duì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)碑身殘塊表面均具有不同程度的土垢、油漆、墨跡、白灰等污染物和水銹結(jié)殼。為保證隨后的粘接修復(fù)效果，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使用吸塵器、塑料刷、純凈水、乙醇、丙酮等對(duì)碑身殘塊表面的污染物進(jìn)行了清洗。前期檢測(cè)分析表明，碑身斷面的水銹結(jié)殼主要成分為碳酸鈣。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比草酸等弱酸、超聲波潔牙機(jī)及微型電動(dòng)打磨機(jī)的去除效果和工作效率，發(fā)現(xiàn)手工機(jī)械去除效果較好，效率也較高，尤其是微型電動(dòng)打磨機(jī)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終選擇在清洗之后，使用微型電磨和超聲波潔牙機(jī)兩種設(shè)備，并輔助以手術(shù)刀等機(jī)械器具，用機(jī)械法去除碑身殘塊斷面的水銹結(jié)殼。

5.1.3粘接修復(fù) 表面清潔之后，按照“由小變大，逐塊粘接”的修復(fù)思路，結(jié)合碑身殘塊多數(shù)分層斷裂的病害實(shí)際，首先對(duì)前期編號(hào)的碑身殘塊，尤其是分層斷裂的碑身殘塊進(jìn)行了地面錨固粘接，將殘塊按照編號(hào)順序逐漸由小變大。同時(shí)，根據(jù)碑身修復(fù)之后側(cè)立放置和移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)上側(cè)翼護(hù)板的設(shè)計(jì)，將不銹鋼錨桿盡可能設(shè)計(jì)在碑身的厚度方向，而在碑身的寬度方向和高度方向盡可能減少錨桿設(shè)計(jì)，以減少對(duì)碑身的干預(yù)；隨后，在移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)上，按照由榫部到碑首、由背面到正面的順序使用叉車(chē)和吊車(chē)分三次對(duì)前期地面錨固粘接的碑身殘塊進(jìn)行吊裝錨固粘接，初步恢復(fù)了碑身的原有形態(tài)(圖13)。

圖13 錨固粘接Fig.13 Anchorage and adhesion

同時(shí)，在吊裝錨固粘接過(guò)程中，根據(jù)有限元仿真分析顯示的碑身側(cè)面局部應(yīng)力較大，也為避免碑身側(cè)面與移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)的“剛性接觸”，在移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)相應(yīng)位置鋪設(shè)了一層橡膠墊和錫箔作為軟質(zhì)墊層和隔離層。

5.1.4補(bǔ)全修復(fù) 經(jīng)過(guò)錨固粘接，對(duì)49塊體量較大的碑身殘塊進(jìn)行了修復(fù)，但仍有數(shù)十塊體量較小的殘塊未找到對(duì)應(yīng)位置。為此，結(jié)合碑身缺失部位，對(duì)所有體量較小的碑身殘塊進(jìn)行了認(rèn)真拼對(duì)，使用CH31環(huán)氧樹(shù)脂又對(duì)20余塊殘塊進(jìn)行了粘接修復(fù)。同時(shí)，對(duì)于無(wú)浮雕的缺失部位使用環(huán)氧樹(shù)脂混合無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別位置的細(xì)小殘塊進(jìn)行補(bǔ)全修復(fù)，對(duì)碑首浮雕缺失部分則采用膠泥塑形、石膏翻范、樹(shù)脂鑄型、拼對(duì)修整及粘接補(bǔ)全的方式進(jìn)行了補(bǔ)全修復(fù)(圖14)。

圖14 龍首補(bǔ)全修復(fù)Fig.14 Completion restoration of the dragon head

5.1.5平臺(tái)安裝 待環(huán)氧樹(shù)脂固化后，拆除固定裝置，將前期因固定而拆除的碑首支撐支架重新安裝，并在移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)相應(yīng)部位安裝不銹鋼側(cè)翼護(hù)板(圖15)，使碑身與移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)連接為一個(gè)整體，有效避免和緩沖碑身移動(dòng)時(shí)因震動(dòng)、晃動(dòng)而導(dǎo)致的不均勻受力。

圖15 碑身正面Fig.15 Stele front

另外，使用不銹鋼螺絲固定碑首支撐支架和側(cè)翼護(hù)板時(shí)，均使用特制的樹(shù)脂螺帽作為緩沖，避免不銹鋼螺絲與碑身直接發(fā)生剛性接觸。

5.2 碑座保護(hù)

根據(jù)碑座、碑身分離的保護(hù)思路，碑座后期會(huì)單獨(dú)室內(nèi)保存或展陳，不再承受碑身的壓力和室外不利因素影響，因此對(duì)碑座采取了較為保守的保護(hù)方法，僅對(duì)影響藝術(shù)價(jià)值體現(xiàn)的表面積塵、土垢及污染物進(jìn)行了處理，而對(duì)不影響現(xiàn)狀安全的溶蝕、裂隙及尾部局部缺失病害等暫時(shí)不進(jìn)行治理，以減少對(duì)文物本體的干預(yù)。

首先，使用叉車(chē)將碑座移動(dòng)至移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)之上，并在碑座底部鋪設(shè)橡膠和錫箔作為隔離和緩沖層，以免碑座底部與移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)剛性接觸。同時(shí)，通過(guò)底部放置隨型木楔，使底部不規(guī)則的碑座在移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)上保持平穩(wěn)；隨后，使用吸塵器、純凈水、酒精及丙酮等對(duì)碑座表面進(jìn)行除塵和去污處理，清除表面污垢、油漆等污染物；最后，按照碑座底部尺寸定制了木質(zhì)圍擋，將底部裸露部分進(jìn)行了封閉處理，以防止灰塵、雜物等進(jìn)入碑座底部，并提高了碑座展陳的視覺(jué)效果。

5.3 三維掃描

保護(hù)修復(fù)完成后，使用美國(guó)FARO Focus3D X330三維激光掃描儀對(duì)碑身和碑座再次進(jìn)行了三維掃描，真實(shí)記錄了石碑保護(hù)修復(fù)后的三維數(shù)據(jù)，為后期的保護(hù)方法、材料及效果評(píng)估提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

6 相關(guān)討論

6.1 粘接錨固

粘接錨固是碑身修復(fù)中難度最大的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是決定修復(fù)效果的重要因素。一方面，碑身殘塊數(shù)量多、體量大、不規(guī)則，搬運(yùn)不便，粘接固定困難。如果殘塊粘接失誤，可能會(huì)因誤差累積而影響最終修復(fù)效果；另一方面，碑身在高度、寬度及厚度方向均有斷裂，厚度方向斷裂甚至多達(dá)5層，且碑身表面多數(shù)部位有碑文或陰刻圖案，殘塊拼合錨固時(shí)需要從粘接面向兩邊鉆孔，將錨桿埋設(shè)于碑身內(nèi)部，錨桿數(shù)量較多，操作難度也較大。

為保證粘接錨固效果，確保修復(fù)質(zhì)量，主要采取了以下5項(xiàng)措施：1)當(dāng)某部位斷裂為三層以上時(shí)，先使用環(huán)氧樹(shù)脂將碑身表層以外的其他部分粘接為一個(gè)整體，再與表層部分進(jìn)行錨固粘接或直接粘接；2)錨固鉆孔之前，應(yīng)對(duì)錨孔中心位置提前精確定位，鉆孔時(shí)也應(yīng)水平推進(jìn)，確保錨孔平直，避免因錨孔傾斜導(dǎo)致錨桿不能完全插入而影響錨固效果。實(shí)施中，設(shè)計(jì)并定制了水鉆水平推進(jìn)支架，保證了錨孔質(zhì)量，效果較好；3)對(duì)于需要從粘接面雙向鉆孔錨固的碑身拼合殘塊，在確保錨孔中心位置一致的前提下，可分別使用不同孔徑的鉆頭，從而為涂膠錨固之后的局部調(diào)整預(yù)留操作空間。粘接錨固修復(fù)后期，分別使用直徑3.2 cm和3.8 cm孔徑的鉆頭對(duì)擬錨固殘塊進(jìn)行鉆孔，極大地提高了修復(fù)效率和質(zhì)量；4)粘接錨固之前，應(yīng)進(jìn)行預(yù)先模擬，確保錨孔、錨桿及殘塊完全匹配后才能正式涂膠粘接；5)涂膠之后，應(yīng)對(duì)錨固的碑身殘塊進(jìn)行強(qiáng)制固定，并注意觀察，防止環(huán)氧樹(shù)脂固化期間，因位置發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而影響粘接錨固效果。經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的修復(fù)實(shí)施，最終完成碑身的粘接錨固修復(fù)，取得了較好的修復(fù)效果。

6.2 有限元仿真分析

受吳哥窟茶膠寺塔門(mén)穩(wěn)定性評(píng)估及現(xiàn)狀破壞解讀中的結(jié)構(gòu)受力分析和三維有限元數(shù)值分析啟發(fā)[3]，為評(píng)估碑身粘接修復(fù)后豎立和側(cè)立放置的安全性，并了解自然重力荷載下碑身各殘塊的應(yīng)力分布情況，基于碑身殘塊的虛擬復(fù)原模型對(duì)碑身進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元仿真分析，確立了安全有效的保護(hù)修復(fù)方式，并對(duì)后期的修復(fù)實(shí)施提供了技術(shù)依據(jù)。

經(jīng)有限元仿真分析，相對(duì)于豎立放置，側(cè)立放置的安全系數(shù)更大，尤其是當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的粘接能力失效至5%時(shí)，側(cè)立放置的安全系數(shù)仍是豎立放置的5.6倍，更有利于碑身的安全和保護(hù)。據(jù)此，最終確立了碑身側(cè)立放置的保護(hù)修復(fù)實(shí)施方案。

有限元仿真分析雖然為保護(hù)修復(fù)實(shí)施方案的確立提供了重要的技術(shù)依據(jù)，但令人遺憾的是未能實(shí)現(xiàn)對(duì)碑身殘塊錨固粘接提供技術(shù)依據(jù)的最初設(shè)想。其主要原因在于碑身殘塊數(shù)量太多、斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜及運(yùn)算量巨大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各單體殘塊在整體中的力學(xué)分析，從而未能對(duì)錨固位置和錨桿數(shù)量、材質(zhì)的選擇提供技術(shù)依據(jù)。在后期的粘接錨固中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇了直徑2.8 cm的螺紋不銹鋼作為錨桿，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了錨孔的位置和數(shù)量，完成了碑身的粘接錨固修復(fù)，恢復(fù)了碑身的原貌。

6.3 膠黏劑篩選

在石質(zhì)文物保護(hù)粘接材料的篩選中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的方法是使用與文物石材一致的石材樣品粘接后進(jìn)行拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合拉伸和剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)、粘接面破損程度及保護(hù)修復(fù)實(shí)際等因素對(duì)膠黏劑的性能進(jìn)行綜合評(píng)判和優(yōu)選。在篩選中，也并非拉伸強(qiáng)度越大、剪切強(qiáng)度越大，膠黏劑的性能就越優(yōu)。一般情況下，膠黏劑的強(qiáng)度不能大于文物石材本體的強(qiáng)度，當(dāng)拉伸和剪切作用發(fā)生時(shí)，膠黏劑首先受到破壞，從而使粘接的石質(zhì)文物得到保護(hù)。

碑體粘接材料篩選時(shí)，由于未能獲得與碑體石材一致的鮞?；?guī)r，而改用統(tǒng)一加工、尺寸相同的鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行膠黏劑的篩選，雖然一定程度上能夠反映膠黏劑的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度優(yōu)劣，但仍需補(bǔ)充膠黏劑與碑體石材強(qiáng)度比較的實(shí)驗(yàn)，或者直接使用與碑體石材一致或接近的石材樣品進(jìn)行黏結(jié)劑的性能優(yōu)選才更為科學(xué)，也更有利于碑體的保護(hù)。

7 結(jié) 論

在病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合材質(zhì)、病害、材料及有限元仿真分析結(jié)果，從有利于文物的安全和保護(hù)角度出發(fā)，確立了碑座與碑身分離、碑身側(cè)立放置的石碑保護(hù)修復(fù)實(shí)施方案，并通過(guò)清洗、粘接、補(bǔ)全等系列石質(zhì)文物保護(hù)修復(fù)措施基本恢復(fù)了碑身的原貌，使碑座和碑身處于相對(duì)穩(wěn)定的安全狀態(tài)。同時(shí)，結(jié)合文物保存和展陳需要，設(shè)計(jì)定制了專(zhuān)用的移動(dòng)保護(hù)平臺(tái)，即實(shí)現(xiàn)了安全保存，又可隨時(shí)移動(dòng)進(jìn)行展示，有利于文物的保護(hù)和展示利用。

另外，需要指出的是，雖然有限元仿真分析并未在石碑保護(hù)修復(fù)的所有環(huán)節(jié)中都發(fā)揮作用，但不可否認(rèn)，其仍然極大地提高了石碑保護(hù)修復(fù)的科學(xué)性。毋庸置疑，此種方法必將在以后的文物保護(hù)修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于推動(dòng)和提高文物保護(hù)修復(fù)的科學(xué)性起到重要的推動(dòng)作用。

致 謝：李晉軍、靳健、張耀東、李少雄等參與石碑修復(fù)，西安碑林博物館牟偉協(xié)助考察碑林石碑修復(fù)，山西文博集團(tuán)程虎偉和山西省考古研究院(山西考古博物館)陳鑫、梁孝協(xié)助進(jìn)行三維掃描，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)秦潁、陜西師范大學(xué)金普軍、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)羅武干協(xié)助進(jìn)行成分、巖相及XRD分析，陜西省文物保護(hù)研究院馬宏林和相建凱協(xié)助進(jìn)行碑座超聲波檢測(cè)，太原理工大學(xué)閆曉鵬協(xié)助進(jìn)行有限元仿真分析和粘接材料性能測(cè)試，在此表示衷心感謝！