不同土沙比壁畫地仗性能測試

馬贊峰 汪萬福 唐 偉 吳海林

內容摘要：運用SY5聲波儀及微機控制電子萬能試驗機，對壁畫地仗土沙比按4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4之間變動，麻刀含量由1％、1.5％、2％、2.5％、3％之間變動制作的壁畫地仗模擬試塊進行了測試。結果表明，地仗的抗折、抗壓強度與波速、收縮率之間成正比關系。土沙比例由4:1至3:7變化時，其收縮率降低，密度減小，波速減小，而相應的抗折、抗壓強度亦隨之降低。地仗土沙比為1:4時，干燥時膨脹，密度增大，會導致其波速減小、抗折強度減小，抗壓強度增大。在地仗由潮濕變為干燥的過程中，土沙比例不同，會產生收縮應力和膨脹應力兩種不同性質的力，從而會對壁畫產生不同的影響。

關鍵詞：土沙比；壁畫地仗；性能

中圖分類號：K854.3文獻標識碼：A文章編號：1000-4106(2009)06-0036-04

前言

敦煌地處中國西北，位于甘肅省最西端與新疆維吾爾自治區交界處。敦煌地域包括黨河及疏勒河流域的廣大地區，總面積約168，000平方公里。敦煌石窟包括敦煌莫高窟、西千佛洞、安西榆林窟。

敦煌石窟的營造，大體要經過鑿巖鐫窟、繪制壁畫和塑像、修建窟檐等過程。參與石窟營造的工匠主要有打窟人、石匠、泥匠、木匠、塑匠、畫匠等六類，工匠技術級別可分為都料、博士、師、匠、工等。由此可見，制作壁畫的工匠的工種、技術級別之間均有嚴格的分工，壁畫地仗由古代泥匠專門制作。

絲綢之路沿線石窟壁畫地仗的含沙比約在18～87％之間變動。這說明壁畫地仗雖由泥匠專門制作，但其中的土沙比例并不固定，在18～87％區間范圍內波動，其配制具有一定的經驗性。泥匠更偏重于技術上的區別，其中土、沙比例則因個體不同而存在差異。如泥匠中有“上仰泥博士”等級別，即在石窟壁畫地仗的制作中，給窟頂上泥是難度最大的技術活，因而也需要工匠具有過硬的專業本領。

地仗層是壁畫的直接載體，壁畫的顏料層一般于其上打底色，然后填色。其性能的差異對壁畫的保護有重要的作用，也可能與病害的產生有直接的關系。鑒于此，設計本試驗，以測定不同土沙比例地仗之間的性能差異。

一試驗

1.1試驗方法

根據莫高窟地仗的制作材料，按照一定的比例配制壁畫地仗。具體實施時，則按照土沙比例由4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4之間變動，麻刀含量由1％、1.5％、2％、2.5％、3％之間變動來制作壁畫地仗試塊。

采用超聲脈沖法對試塊進行無損檢測，所用超聲儀的聲頻為50kHz?？拐?、抗壓強度試驗機采用應變控制式，抗折試驗時的位移速率為3.6mm/s；抗壓試驗時的位移速率為7.2 mm/s，同時參考《水泥膠砂強度ISO檢驗方法》(GB/T17671-1999)進行數據分析。

1.2分析儀器

SY5聲波儀，武漢巖土力學所(中國科學院武漢巖土力學研究所智能儀器研究室)制造。型號：RSM-SY5；發射頻率：50kH；接收頻率：50kH；采樣間隔：1uS。

微機控制電子萬能試驗機，深圳市瑞格爾儀器有限公司制造。型號：RG7-10；規格：10KN；準確度等級：1級。

1.3材料準備、試塊制備與測試

(1)材料準備

土：使用敦煌莫高窟大泉河沉積澄板土。

沙：將莫高窟附近細沙過100目篩。

麻：將麻束以敲打的方式分離為麻絲。

(2)試塊制備

①悶泥，將一定比例沙土混合，加入麻刀，摻加適量水放置。

②和泥，靜置一段時間，待水分充分滲透后，進行攪拌(捶打)。

③制作試塊，將和好的泥填入抗折抗壓模具，并用修復刀將表面抹平。模具大小為4×4×16cm，每組試塊平行制作三組。

④干燥，將制作好的試塊放置自然干燥。

(3)收縮率測定

測定試塊干燥后的長度，模具長度為16cm，認定試塊起始長度即為16cm，將干燥后試塊長度的變化量除以起始長度，以求其線性收縮率。

(4)波速測試

將干燥后的試塊用聲波儀測試其縱波速，以研究其密度變化的情況。

(5)試塊抗折、抗壓測試

將制備好的試塊置于材料試驗機下進行抗折、抗壓測試。

二結果分析

2.1收縮率

對土、沙、麻不同配比的地仗試塊收縮率測定結果表明(圖1)，相同比例的麻刀地仗試塊，土沙比例由高降低的過程，其收縮率有減小的趨勢，即土含量越高，試塊的收縮率越大；當土沙比例降至一定程度，試塊會膨脹，如土沙比例為1:4時2％、3％的麻刀試塊會膨脹。這一結果說明，地仗中土沙比例不同，會導致其力學性能的不同，甚至會完全相反。在地仗由潮濕變為干燥的過程中，高含量土的試塊體積會收縮，高含量沙的試塊體積會膨脹。

土沙比例相同、不同麻刀含量的地仗試塊，其收縮性變化比較復雜。在土沙比例由4:1至1:1變化的過程中，隨著麻刀含量的增加，試塊收縮率有縮小的趨勢，但在麻刀比為1.5％時，地仗收縮率較大。試塊土沙比由2:3至3:7變化過程中，試塊收縮率先減小后增大。試塊土沙比為1:4時，試塊收縮率先減少后增大，其變化先收縮然后膨脹。

2.2波速

對土、沙、麻不同配比的地仗試塊縱波速測試表明(圖2)，相同比例的麻刀地仗試塊，土沙比例由高降低的過程，其波速有減小的趨勢，即土含量越高，試塊的密度越大；反之則越小。這一結果亦表明，地仗中土沙含量的不同會使其密度發生變化，從而導致地仗透氣、透水性發生變化。

土沙比例由4:1至3:2變化的過程中，地仗試塊的波速隨麻刀的增加而增加，即地仗的密度有增大的趨勢。地仗中土沙比例為1:1至2:3時，地仗的波速變化不明顯。地仗中土沙比例為1:4時，地仗的波速有明顯減小的趨勢，即地仗的密度減小。

2.3抗折、抗壓

圖3及圖4分別是不同配比地仗試塊的抗折、抗壓強度折線圖。由圖可見，相同比例的麻刀地仗試塊，土沙比例由高降低的過程，其抗折、抗壓強度有減小的趨勢，即土含量越高，試塊的抗折、抗壓強度越大；反之則越小。

在同一組試塊中(相同比例的土沙比)，麻刀含量由1.5-3％變化的過程中，地仗土沙比為4:1至7:3的試塊，其抗折、抗壓強度均有增大的趨勢，但土沙比為1:4的試塊，其抗壓強度增大，抗折強度減小。在每組試塊中，隨著麻刀含量的增加，其抗折、抗壓強度增大的幅度不盡相同。

三結果與討論

3.1人為因素的影響

地仗試塊由多次分批制成，在制作時，人為操作因素可能會導致試驗結果出現一定的偏差。

制作試塊的過程屬人工操作，在試塊攪拌的過程中，麻刀是否充分攪拌均勻及其在地仗中分散的程度，會對試驗結果產生一定的影響。

另外，在制作試塊時，為保證同一組試塊中每個試塊的相同性及可重復性，一般用天平精確稱量，使平行試塊的濕重盡量相同。但在填充模具時，試塊表面的平整性及涂抹次數會使試塊密度發生變化，從而影響試驗測定的結果。

3.2波速與收縮率之間的關系

波速反映了試塊密度的變化，波速與試塊的收縮率成正比關系，即試塊的波速越大，其收縮率亦越大。測試結果表明，相同比例的麻刀地仗試塊，土沙比例由高降低的過程，其波速、收縮率均有減小的趨勢。而影響這些參數變化的原因是地仗中土沙比例的變化，土沙比例不同，會導致試塊在干燥過程中收縮率不同，從而影響其密度的變化。

地仗中土沙比例為1:4時，地仗的波速與收縮率亦有較好的對應關系，即試塊膨脹，密度減小，波速亦減小。

在地仗中加入麻刀，其比例不同，對地仗的性質亦有不同的影響。

3.3抗折、抗壓與波速、收縮率的關系

測試結果表明，地仗的抗折、抗壓強度與波速、收縮率之間亦成正比關系。試塊干燥時，土沙比例由高降低時，其收縮率降低，密度減小，而相應的抗折、抗壓強度亦隨之降低。但土沙比降至一定程度(土沙比=1:4)，地仗膨脹，密度增大，會導致其波速減小、抗折強度減小，抗壓強度增大。

3.4壁畫地仗篩取原則

地仗是壁畫顏料依附的載體，其性能的好壞對壁畫的穩定性有直接的關系。洞窟壁畫環境的特殊性，要求地仗具有一定的強度、收縮率小，同時具備一定的透氣、透水性。地仗中土沙比例越高，其抗折、抗壓性能越高，但其收縮率、密度較大，透氣、透水性較差而限制其使用。

試驗結果表明，地仗中土沙比例不同，其性能亦不同，甚至產生完全相反的應力。加入麻刀能顯著改善地仗的物理性能。隨著麻刀量的增加，其抗折、抗壓有明顯增大的趨勢。

研究地仗中土、沙、麻含量變化與地仗性能之間的關系，可為修復提供最佳的地仗配方，限于地仗性能受多種因素的影響。應對不同配比的地仗進行透氣、透水性進行更深入研究，方可確定修復地仗所用的最佳配方，以更好地保護古代壁畫。

四結論

1.地仗中土沙比例不同，其力學性能不同。地仗的抗折、抗壓強度與波速、收縮率之間成正比關系。土沙比例由4:1至3:7變化時，其收縮率降低，密度減小，波速減小，而相應的抗折、抗壓強度亦隨之降低。地仗土沙比為1:4時，地仗干燥時膨脹，密度增大，會導致其波速減小、抗折強度減小，抗壓強度增大。土沙比一定時，地仗中加入麻刀會顯著改善地仗的抗折、抗壓性能。

2.在地仗由潮濕變為干燥的過程中，土沙比由4:1至3:7變化時，試塊體積會收縮；土沙比為1:4時，試塊體積會膨脹。這說明地仗中土沙比例不同，會產生收縮應力和膨脹應力兩種不同性質的力，從而會對壁畫產生不同的影響。

3.目前敦煌壁畫地仗修復材料配方，土沙比約為3:2，麻刀含量約為3％。此配比的地仗在由潮濕變為干燥的過程中，會產生收縮應力。其抗折強度約為0.84～0.95 T/MPa，抗壓強度約為2.58～3.75a/MPa，線性收縮率約為-0.91～-1.25％，縱波速約為1571～17620p/m·s^-1。