山西介休后土廟彩塑病害機理的室內實驗研究

李燕飛 趙林毅 王旭東 梁收運 范宇權 楊 韜

內容摘要：文物病害的發生、發展與多種因素有關，而病害機理研究是保護過程的基礎環節。本文結合后土廟彩塑的保存環境、彩塑的制作材料與工藝，通過室內的模擬實驗研究，再現了病害的發生和發展過程，為彩塑進一步保護措施的實施和保存環境的改善提供了理論依據。

關鍵詞：后土廟；彩塑；病害；機理研究

中圖分類號：K854.3；K879.41文獻標識碼：A文章編號：1000-4106(2009)06-0040-04

一引言

山西介休后土廟是國家重點文物保護單位。在對后土廟現存彩塑的保護研究過程中，通過對彩塑保存現狀的詳細調查，結合室內的研究，明確了彩塑現存的主要病害、保存狀況及彩塑制作材料與制作工藝，對彩塑的保存歷史沿革有了較為清楚的認識。對彩塑實施有效保護，病害機理的研究是其中重要的一個環節。只有清楚地掌握和了解病害發生和發展過程，才能為修復材料的選擇及保存環境的改善提供理論依據和基礎支撐。

文物病害的發生和發展，通常與文物的保存環境、文物的制作材料及工藝、人為等因素有著直接的關系。因此，研究文物各類病害的發生和發展與保存環境、人為因素、制作材料與工藝等的關系是揭示病害成因的必然途徑?，F狀調查和前期研究表明，后土廟彩塑現存的主要病害為顏料層龜裂起甲和嚴重的地仗酥堿。

對于壁畫、彩塑等的顏料層龜裂起甲病害，研究認為，壁畫、彩塑顏料在繪制過程中要摻加一定量的動物膠或植物膠作為膠結材料，由于此類膠結材料是有機物，主要成分為蛋白質，在光和濕度等因素的作用下會產生不同程度的老化、收縮變形，使得顏料層產生龜裂起甲，乃至粉化脫落。酥堿病害的產生則與地仗土的物理力學性能、地仗土中的易溶鹽的種類以及易溶鹽在環境等因素影響下的活動有關。但是，易溶鹽的種類不同，在不同環境影響下產生的酥堿病害的表現形式也是有區別的。

為了研究后土廟酥堿病害產生的原因，本研究試圖通過室內模擬實驗研究的方法，再現彩塑的酥堿病害，科學合理地解釋病害的發生和發展的過程。

二室內模擬實驗研究

2.1模擬試塊的制作

(1)制作材料

原地仗土、麥秸、骨膠、墨和礦物顏料朱砂、石青、石黃、石綠、鉛丹。

(2)制作方法

為了使制作材料更加接近原材料，制作模擬試塊的土取自塑像殘塊(已經嚴重酥堿，變成一堆塑土)，所以在制作試塊的過程中沒有加入任何種類的易溶鹽。制作過程中加入2％的麥秸、顏料和底色層所用的5％的骨膠溶液。底色層顏料為石膏，表層顏料有朱砂、墨、石青、石黃、石綠及鉛丹，所使用的材料是依據對彩塑制作材料的分析結果Ⅲ。試塊在制作過程中保持每一個試塊的密度基本相同(試塊干重約58g，直徑為5cm，厚為0.8cm)。

2.2地仗試塊的循環老化

(1)循環老化的條件

儀器：可程式恒溫恒濕箱(東莞市恒工設備有限公司制造，HG-TH-P-306R型)。

條件設置：按照對后土廟彩塑保存環境的溫濕度監測數據(見圖1)，日均值最大為84％，降雨時可達90％以上。設定兩個階段進行老化試驗。第一階段程序設定溫度20℃、相對濕度55％和溫度15℃、相對濕度90％交替各24小時，每兩天交替一次，為一個循環，每連續三個循環后停機一天，這一階段經歷了48個循環，歷時92天。第二階段為加速老化階段，程序設定為溫度20℃、相對濕度20％和溫度15℃、相對濕度90％交替各保持6小時，每天兩個循環，中間不停機，這一階段經歷了50個循環，歷時25天。

(2)老化過程中的監測

模擬試塊的循環老化經歷了兩個階段的98個循環，在每個循環過程中比較觀察試塊的變化情況，描述現象，在有明顯變化時照相記錄。在對試塊老化循環監測的過程中發現，模擬試塊的破壞不是從表面開始的，而是從邊緣開始的。在第一階段第9個循環時每種試塊地仗邊緣開始出現粉化脫落現象，隨著循環次數的增多，地仗粉化脫落的現象也在加劇。觀察發現，涂有石黃和鉛丹的試塊色調變暗，朱砂的顏色淡化，石青、石綠和墨的色調變化較小，石青、石綠和墨顏料出現粉狀脫落，地仗周圍已經不同程度地積累了地仗粉化脫落后的粉末。這一現象與后土廟彩塑酥堿病害現象一致(圖版16-18)。

(3)地仗土的吸濕性能

在第一階段停機時對試塊進行了稱重，了解彩塑地仗土的吸水性能和分析彩塑病害的成因。第39個循環后，發現試塊的重量不再變化，這一現象表明，在循環過程中，在39個循環以后試塊吸水達到飽和。稱重結果顯示，彩塑地仗在潮濕環境下，每100克的地仗土對水氣的最大吸濕能力在8％～9.5％之間，吸濕能力較強。

三后土廟彩塑病害成因分析

3.1鹽分來源分析

根據塑像制作材料的地仗土和當地土分析的結果，彩塑地仗是用當地土制作的。易溶鹽的分析結果表明(表1)，地仗土中易溶鹽的含量較高，比較當地土樣的分析結果，可以認為易溶鹽主要是外界環境影響所造成的。通過對塑像表層覆蓋的一層污染物的易溶鹽的離子色譜分析，陽離子以Ca²⁺為主，陰離子主要為SO^2-₄，這與對地仗土SD-1、SD-2、SD-3、SD-4的分析結果中的主要離子相吻合。

根據對介休地區的環境監測結果，介休市環境污染比較嚴重，大氣污染主要為煤煙污染，污染物有煙塵、SO₂、CO和氮氧化物(NO_x)等，來自化工企業的污染物排放量是非常大的--顆粒物、煙粉塵年排放量高達1000多噸，SO₂年排放量可達160.7噸，落在塑像表面的粉塵厚達0.8cm左右。大量的SO₂、NO_x排入大氣后，形成酸雨，主要是H₂SO₄和HNO₃，隨粉塵漂浮于彩塑上，將SO^2-₄和NO^-₃帶入彩塑地仗，長時間的過程中，SO^2-₄和NO^-₃與地仗土中的金屬離子結合形成硫酸鹽和硝酸鹽，并在地仗土中不斷累積。這是地仗土中易溶鹽含量較高的主要原因。

3.2保存環境的影響

后土廟西配殿2005年7月至11月的殿內溫濕度環境監測數據顯示(圖1)，7月、8月殿堂內相對濕度較高，9月到11月也在50％以上。結合介休市1994-2004年的環境溫濕度監測數據及降水量的統計，降雨集中在每年的6-9月份，且雨量較大(圖2)，相對濕度也較高，在60％以上，8月份相對濕度在70％以上(圖3)。此段時間殿內處于長時間高濕度和短時間相對濕度較低的交換狀態。在這種條件下，由于地仗土的吸濕能力較強，極易發生塑像地仗內的鹽分在高濕度下溶解，相對濕度降低時結晶的反復溶解和結晶過程，就導致殿內的塑像產生酥堿和粉化脫落的病害。1993年，東配殿塑像遷至山門殿，西配殿塑像遷至真武殿。真武殿和山門殿相對東配殿和西配殿地勢要高，通風條件較好。在塑像搬遷時，塑像內已經積聚了大量的水汽，良好的通風環境使得塑像內的水分急劇向外界運移，在加速易溶鹽在表面結晶的同時，也加速了病害發展的進程。據塑像管理人員介紹，在塑像搬遷至山門殿和西配殿時，窗戶和外界直接相通，沒有遮擋，下雨時，雨水可直接或間接落至塑像上，這也是病害在塑像搬遷后持續發展的主要原因。

3.3制作材料

彩塑地仗的制作材料為土屬粉質粘土，顆粒極細，孔隙率較小。一方面當相對濕度升高或由于某種原因吸水時，地仗土吸水使得顆粒周圍結合水膜的增厚而增大了顆粒間的距離，引起地仗土體的體積膨脹，地仗土的孔隙率相應變大；當相對濕度降低時，地仗土內的水分會向外界運移蒸發，此過程中會引起地仗土收縮，顆粒間的孔隙率變小。另一方面，地仗中的易溶鹽含量較高，離子色譜和易溶鹽總量分析結果表明，地仗土中的鹽類以硫酸鹽和硝酸鹽為主，這種地仗土的性質類似于硫酸鹽漬土。硫酸鹽在結晶過程中具有結合一定數量水分子的能力，體積會膨脹，當失水時，晶體變為無水狀態，體積相應縮小，硫酸鹽的這種變化通常隨溫度的變化而變化。當溫度降低時，鹽溶液達過飽和狀態，鹽分會從溶液中結晶析出，體積增大；溫度升高時又溶解于溶液中，體積縮小。因此，這種隨著外界環境的變化呈現周期性變化的過程，容易引起地仗土體結構的破壞，產生松脹現象，造成了彩塑地仗的嚴重酥堿。

四結論

綜合室內實驗研究和彩塑的保存環境，初步認為塑像病害的產生和發展與地仗土的物理性質、大氣污染及塑像保存環境的溫濕度變化等綜合因素有關，地仗土中硫酸鹽的溶解和結晶過程是塑像酥堿病害發生和發展的主要原因。