不同土沙比壁画地仗性能测试
马赞峰 汪万福 唐 伟 吴海林
内容摘要：运用SY5声波仪及微机控制电子万能试验机，对壁画地仗土沙比按4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4之间变动，麻刀含量由1％、1.5％、2％、2.5％、3％之间变动制作的壁画地仗模拟试块进行了测试。结果表明，地仗的抗折、抗压强度与波速、收缩率之间成正比关系。土沙比例由4:1至3:7变化时，其收缩率降低，密度减小，波速减小，而相应的抗折、抗压强度亦随之降低。地仗土沙比为1:4时，干燥时膨胀，密度增大，会导致其波速减小、抗折强度减小，抗压强度增大。在地仗由潮湿变为干燥的过程中，土沙比例不同，会产生收缩应力和膨胀应力两种不同性质的力，从而会对壁画产生不同的影响。
关键词：土沙比；壁画地仗；性能
中图分类号：K854.3文献标识码：A文章编号：1000-4106(2009)06-0036-04
前言
敦煌地处中国西北，位于甘肃省最西端与新疆维吾尔自治区交界处。敦煌地域包括党河及疏勒河流域的广大地区，总面积约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。
敦煌石窟的营造，大体要经过凿岩镌窟、绘制壁画和塑像、修建窟檐等过程。参与石窟营造的工匠主要有打窟人、石匠、泥匠、木匠、塑匠、画匠等六类，工匠技术级别可分为都料、博士、师、匠、工等。由此可见，制作壁画的工匠的工种、技术级别之间均有严格的分工，壁画地仗由古代泥匠专门制作。
丝绸之路沿线石窟壁画地仗的含沙比约在18～87％之间变动。这说明壁画地仗虽由泥匠专门制作，但其中的土沙比例并不固定，在18～87％区间范围内波动，其配制具有一定的经验性。泥匠更偏重于技术上的区别，其中土、沙比例则因个体不同而存在差异。如泥匠中有“上仰泥博士”等级别，即在石窟壁画地仗的制作中，给窟顶上泥是难度最大的技术活，因而也需要工匠具有过硬的专业本领。
地仗层是壁画的直接载体，壁画的颜料层一般于其上打底色，然后填色。其性能的差异对壁画的保护有重要的作用，也可能与病害的产生有直接的关系。鉴于此，设计本试验，以测定不同土沙比例地仗之间的性能差异。
一试验
1.1试验方法
根据莫高窟地仗的制作材料，按照一定的比例配制壁画地仗。具体实施时，则按照土沙比例由4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4之间变动，麻刀含量由1％、1.5％、2％、2.5％、3％之间变动来制作壁画地仗试块。
采用超声脉冲法对试块进行无损检测，所用超声仪的声频为50kHz。抗折、抗压强度试验机采用应变控制式，抗折试验时的位移速率为3.6mm/s；抗压试验时的位移速率为7.2 mm/s，同时参考《水泥胶砂强度ISO检验方法》(GB/T17671-1999)进行数据分析。
1.2分析仪器
SY5声波仪，武汉岩土力学所(中国科学院武汉岩土力学研究所智能仪器研究室)制造。型号：RSM-SY5；发射频率：50kH；接收频率：50kH；采样间隔：1uS。
微机控制电子万能试验机，深圳市瑞格尔仪器有限公司制造。型号：RG7-10；规格：10KN；准确度等级：1级。
1.3材料准备、试块制备与测试
(1)材料准备
土：使用敦煌莫高窟大泉河沉积澄板土。
沙：将莫高窟附近细沙过100目筛。
麻：将麻束以敲打的方式分离为麻丝。
(2)试块制备
①闷泥，将一定比例沙土混合，加入麻刀，掺加适量水放置。
②和泥，静置一段时间，待水分充分渗透后，进行搅拌(捶打)。
③制作试块，将和好的泥填入抗折抗压模具，并用修复刀将表面抹平。模具大小为4×4×16cm，每组试块平行制作三组。
④干燥，将制作好的试块放置自然干燥。
(3)收缩率测定
测定试块干燥后的长度，模具长度为16cm，认定试块起始长度即为16cm，将干燥后试块长度的变化量除以起始长度，以求其线性收缩率。
(4)波速测试
将干燥后的试块用声波仪测试其纵波速，以研究其密度变化的情况。
(5)试块抗折、抗压测试
将制备好的试块置于材料试验机下进行抗折、抗压测试。
二结果分析
2.1收缩率
对土、沙、麻不同配比的地仗试块收缩率测定结果表明(图1)，相同比例的麻刀地仗试块，土沙比例由高降低的过程，其收缩率有减小的趋势，即土含量越高，试块的收缩率越大；当土沙比例降至一定程度，试块会膨胀，如土沙比例为1:4时2％、3％的麻刀试块会膨胀。这一结果说明，地仗中土沙比例不同，会导致其力学性能的不同，甚至会完全相反。在地仗由潮湿变为干燥的过程中，高含量土的试块体积会收缩，高含量沙的试块体积会膨胀。
土沙比例相同、不同麻刀含量的地仗试块，其收缩性变化比较复杂。在土沙比例由4:1至1:1变化的过程中，随着麻刀含量的增加，试块收缩率有缩小的趋势，但在麻刀比为1.5％时，地仗收缩率较大。试块土沙比由2:3至3:7变化过程中，试块收缩率先减小后增大。试块土沙比为1:4时，试块收缩率先减少后增大，其变化先收缩然后膨胀。
2.2波速
对土、沙、麻不同配比的地仗试块纵波速测试表明(图2)，相同比例的麻刀地仗试块，土沙比例由高降低的过程，其波速有减小的趋势，即土含量越高，试块的密度越大；反之则越小。这一结果亦表明，地仗中土沙含量的不同会使其密度发生变化，从而导致地仗透气、透水性发生变化。
土沙比例由4:1至3:2变化的过程中，地仗试块的波速随麻刀的增加而增加，即地仗的密度有增大的趋势。地仗中土沙比例为1:1至2:3时，地仗的波速变化不明显。地仗中土沙比例为1:4时，地仗的波速有明显减小的趋势，即地仗的密度减小。
2.3抗折、抗压
图3及图4分别是不同配比地仗试块的抗折、抗压强度折线图。由图可见，相同比例的麻刀地仗试块，土沙比例由高降低的过程，其抗折、抗压强度有减小的趋势，即土含量越高，试块的抗折、抗压强度越大；反之则越小。
在同一组试块中(相同比例的土沙比)，麻刀含量由1.5-3％变化的过程中，地仗土沙比为4:1至7:3的试块，其抗折、抗压强度均有增大的趋势，但土沙比为1:4的试块，其抗压强度增大，抗折强度减小。在每组试块中，随着麻刀含量的增加，其抗折、抗压强度增大的幅度不尽相同。
三结果与讨论
3.1人为因素的影响
地仗试块由多次分批制成，在制作时，人为操作因素可能会导致试验结果出现一定的偏差。
制作试块的过程属人工操作，在试块搅拌的过程中，麻刀是否充分搅拌均匀及其在地仗中分散的程度，会对试验结果产生一定的影响。
另外，在制作试块时，为保证同一组试块中每个试块的相同性及可重复性，一般用天平精确称量，使平行试块的湿重尽量相同。但在填充模具时，试块表面的平整性及涂抹次数会使试块密度发生变化，从而影响试验测定的结果。
3.2波速与收缩率之间的关系
波速反映了试块密度的变化，波速与试块的收缩率成正比关系，即试块的波速越大，其收缩率亦越大。测试结果表明，相同比例的麻刀地仗试块，土沙比例由高降低的过程，其波速、收缩率均有减小的趋势。而影响这些参数变化的原因是地仗中土沙比例的变化，土沙比例不同，会导致试块在干燥过程中收缩率不同，从而影响其密度的变化。
地仗中土沙比例为1:4时，地仗的波速与收缩率亦有较好的对应关系，即试块膨胀，密度减小，波速亦减小。
在地仗中加入麻刀，其比例不同，对地仗的性质亦有不同的影响。
3.3抗折、抗压与波速、收缩率的关系
测试结果表明，地仗的抗折、抗压强度与波速、收缩率之间亦成正比关系。试块干燥时，土沙比例由高降低时，其收缩率降低，密度减小，而相应的抗折、抗压强度亦随之降低。但土沙比降至一定程度(土沙比=1:4)，地仗膨胀，密度增大，会导致其波速减小、抗折强度减小，抗压强度增大。
3.4壁画地仗筛取原则
地仗是壁画颜料依附的载体，其性能的好坏对壁画的稳定性有直接的关系。洞窟壁画环境的特殊性，要求地仗具有一定的强度、收缩率小，同时具备一定的透气、透水性。地仗中土沙比例越高，其抗折、抗压性能越高，但其收缩率、密度较大，透气、透水性较差而限制其使用。
试验结果表明，地仗中土沙比例不同，其性能亦不同，甚至产生完全相反的应力。加入麻刀能显著改善地仗的物理性能。随着麻刀量的增加，其抗折、抗压有明显增大的趋势。
研究地仗中土、沙、麻含量变化与地仗性能之间的关系，可为修复提供最佳的地仗配方，限于地仗性能受多种因素的影响。应对不同配比的地仗进行透气、透水性进行更深入研究，方可确定修复地仗所用的最佳配方，以更好地保护古代壁画。
四结论
1.地仗中土沙比例不同，其力学性能不同。地仗的抗折、抗压强度与波速、收缩率之间成正比关系。土沙比例由4:1至3:7变化时，其收缩率降低，密度减小，波速减小，而相应的抗折、抗压强度亦随之降低。地仗土沙比为1:4时，地仗干燥时膨胀，密度增大，会导致其波速减小、抗折强度减小，抗压强度增大。土沙比一定时，地仗中加入麻刀会显著改善地仗的抗折、抗压性能。
2.在地仗由潮湿变为干燥的过程中，土沙比由4:1至3:7变化时，试块体积会收缩；土沙比为1:4时，试块体积会膨胀。这说明地仗中土沙比例不同，会产生收缩应力和膨胀应力两种不同性质的力，从而会对壁画产生不同的影响。
3.目前敦煌壁画地仗修复材料配方，土沙比约为3:2，麻刀含量约为3％。此配比的地仗在由潮湿变为干燥的过程中，会产生收缩应力。其抗折强度约为0.84～0.95 T/MPa，抗压强度约为2.58～3.75a/MPa，线性收缩率约为-0.91～-1.25％，纵波速约为1571～17620p/m·s-1。
