山西介休后土庙彩塑病害机理的室内实验研究

    李燕飞 赵林毅 王旭东 梁收运 范宇权 杨 韬

    内容摘要：文物病害的发生、发展与多种因素有关，而病害机理研究是保护过程的基础环节。本文结合后土庙彩塑的保存环境、彩塑的制作材料与工艺，通过室内的模拟实验研究，再现了病害的发生和发展过程，为彩塑进一步保护措施的实施和保存环境的改善提供了理论依据。

    关键词：后土庙；彩塑；病害；机理研究

    中图分类号：K854.3；K879.41文献标识码：A文章编号：1000-4106(2009)06-0040-04

    一引言

    山西介休后土庙是国家重点文物保护单位。在对后土庙现存彩塑的保护研究过程中，通过对彩塑保存现状的详细调查，结合室内的研究，明确了彩塑现存的主要病害、保存状况及彩塑制作材料与制作工艺，对彩塑的保存历史沿革有了较为清楚的认识。对彩塑实施有效保护，病害机理的研究是其中重要的一个环节。只有清楚地掌握和了解病害发生和发展过程，才能为修复材料的选择及保存环境的改善提供理论依据和基础支撑。

    文物病害的发生和发展，通常与文物的保存环境、文物的制作材料及工艺、人为等因素有着直接的关系。因此，研究文物各类病害的发生和发展与保存环境、人为因素、制作材料与工艺等的关系是揭示病害成因的必然途径。现状调查和前期研究表明，后土庙彩塑现存的主要病害为颜料层龟裂起甲和严重的地仗酥碱。

    对于壁画、彩塑等的颜料层龟裂起甲病害，研究认为，壁画、彩塑颜料在绘制过程中要掺加一定量的动物胶或植物胶作为胶结材料，由于此类胶结材料是有机物，主要成分为蛋白质，在光和湿度等因素的作用下会产生不同程度的老化、收缩变形，使得颜料层产生龟裂起甲，乃至粉化脱落。酥碱病害的产生则与地仗土的物理力学性能、地仗土中的易溶盐的种类以及易溶盐在环境等因素影响下的活动有关。但是，易溶盐的种类不同，在不同环境影响下产生的酥碱病害的表现形式也是有区别的。

    为了研究后土庙酥碱病害产生的原因，本研究试图通过室内模拟实验研究的方法，再现彩塑的酥碱病害，科学合理地解释病害的发生和发展的过程。

    二室内模拟实验研究

    2.1模拟试块的制作

    (1)制作材料

    原地仗土、麦秸、骨胶、墨和矿物颜料朱砂、石青、石黄、石绿、铅丹。

    (2)制作方法

    为了使制作材料更加接近原材料，制作模拟试块的土取自塑像残块(已经严重酥碱，变成一堆塑土)，所以在制作试块的过程中没有加入任何种类的易溶盐。制作过程中加入2％的麦秸、颜料和底色层所用的5％的骨胶溶液。底色层颜料为石膏，表层颜料有朱砂、墨、石青、石黄、石绿及铅丹，所使用的材料是依据对彩塑制作材料的分析结果Ⅲ。试块在制作过程中保持每一个试块的密度基本相同(试块干重约58g，直径为5cm，厚为0.8cm)。

    2.2地仗试块的循环老化

    (1)循环老化的条件

    仪器：可程式恒温恒湿箱(东莞市恒工设备有限公司制造，HG-TH-P-306R型)。

    条件设置：按照对后土庙彩塑保存环境的温湿度监测数据(见图1)，日均值最大为84％，降雨时可达90％以上。设定两个阶段进行老化试验。第一阶段程序设定温度20℃、相对湿度55％和温度15℃、相对湿度90％交替各24小时，每两天交替一次，为一个循环，每连续三个循环后停机一天，这一阶段经历了48个循环，历时92天。第二阶段为加速老化阶段，程序设定为温度20℃、相对湿度20％和温度15℃、相对湿度90％交替各保持6小时，每天两个循环，中间不停机，这一阶段经历了50个循环，历时25天。

    

    (2)老化过程中的监测

    模拟试块的循环老化经历了两个阶段的98个循环，在每个循环过程中比较观察试块的变化情况，描述现象，在有明显变化时照相记录。在对试块老化循环监测的过程中发现，模拟试块的破坏不是从表面开始的，而是从边缘开始的。在第一阶段第9个循环时每种试块地仗边缘开始出现粉化脱落现象，随着循环次数的增多，地仗粉化脱落的现象也在加剧。观察发现，涂有石黄和铅丹的试块色调变暗，朱砂的颜色淡化，石青、石绿和墨的色调变化较小，石青、石绿和墨颜料出现粉状脱落，地仗周围已经不同程度地积累了地仗粉化脱落后的粉末。这一现象与后土庙彩塑酥碱病害现象一致(图版16-18)。

    (3)地仗土的吸湿性能

    在第一阶段停机时对试块进行了称重，了解彩塑地仗土的吸水性能和分析彩塑病害的成因。第39个循环后，发现试块的重量不再变化，这一现象表明，在循环过程中，在39个循环以后试块吸水达到饱和。称重结果显示，彩塑地仗在潮湿环境下，每100克的地仗土对水气的最大吸湿能力在8％～9.5％之间，吸湿能力较强。

    三后土庙彩塑病害成因分析

    3.1盐分来源分析

    根据塑像制作材料的地仗土和当地土分析的结果，彩塑地仗是用当地土制作的。易溶盐的分析结果表明(表1)，地仗土中易溶盐的含量较高，比较当地土样的分析结果，可以认为易溶盐主要是外界环境影响所造成的。通过对塑像表层覆盖的一层污染物的易溶盐的离子色谱分析，阳离子以Ca2+为主，阴离子主要为SO2-4，这与对地仗土SD-1、SD-2、SD-3、SD-4的分析结果中的主要离子相吻合。

    

    根据对介休地区的环境监测结果，介休市环境污染比较严重，大气污染主要为煤烟污染，污染物有烟尘、SO2、CO和氮氧化物(NOx)等，来自化工企业的污染物排放量是非常大的--颗粒物、烟粉尘年排放量高达1000多吨，SO2年排放量可达160.7吨，落在塑像表面的粉尘厚达0.8cm左右。大量的SO2、NOx排入大气后，形成酸雨，主要是H2SO4和HNO3，随粉尘漂浮于彩塑上，将SO2-4和NO-3带入彩塑地仗，长时间的过程中，SO2-4和NO-3与地仗土中的金属离子结合形成硫酸盐和硝酸盐，并在地仗土中不断累积。这是地仗土中易溶盐含量较高的主要原因。

    3.2保存环境的影响

    后土庙西配殿2005年7月至11月的殿内温湿度环境监测数据显示(图1)，7月、8月殿堂内相对湿度较高，9月到11月也在50％以上。结合介休市1994-2004年的环境温湿度监测数据及降水量的统计，降雨集中在每年的6-9月份，且雨量较大(图2)，相对湿度也较高，在60％以上，8月份相对湿度在70％以上(图3)。此段时间殿内处于长时间高湿度和短时间相对湿度较低的交换状态。在这种条件下，由于地仗土的吸湿能力较强，极易发生塑像地仗内的盐分在高湿度下溶解，相对湿度降低时结晶的反复溶解和结晶过程，就导致殿内的塑像产生酥碱和粉化脱落的病害。1993年，东配殿塑像迁至山门殿，西配殿塑像迁至真武殿。真武殿和山门殿相对东配殿和西配殿地势要高，通风条件较好。在塑像搬迁时，塑像内已经积聚了大量的水汽，良好的通风环境使得塑像内的水分急剧向外界运移，在加速易溶盐在表面结晶的同时，也加速了病害发展的进程。据塑像管理人员介绍，在塑像搬迁至山门殿和西配殿时，窗户和外界直接相通，没有遮挡，下雨时，雨水可直接或间接落至塑像上，这也是病害在塑像搬迁后持续发展的主要原因。

    

    3.3制作材料

    彩塑地仗的制作材料为土属粉质粘土，颗粒极细，孔隙率较小。一方面当相对湿度升高或由于某种原因吸水时，地仗土吸水使得颗粒周围结合水膜的增厚而增大了颗粒间的距离，引起地仗土体的体积膨胀，地仗土的孔隙率相应变大；当相对湿度降低时，地仗土内的水分会向外界运移蒸发，此过程中会引起地仗土收缩，颗粒间的孔隙率变小。另一方面，地仗中的易溶盐含量较高，离子色谱和易溶盐总量分析结果表明，地仗土中的盐类以硫酸盐和硝酸盐为主，这种地仗土的性质类似于硫酸盐渍土。硫酸盐在结晶过程中具有结合一定数量水分子的能力，体积会膨胀，当失水时，晶体变为无水状态，体积相应缩小，硫酸盐的这种变化通常随温度的变化而变化。当温度降低时，盐溶液达过饱和状态，盐分会从溶液中结晶析出，体积增大；温度升高时又溶解于溶液中，体积缩小。因此，这种随着外界环境的变化呈现周期性变化的过程，容易引起地仗土体结构的破坏，产生松胀现象，造成了彩塑地仗的严重酥碱。

    四结论

    综合室内实验研究和彩塑的保存环境，初步认为塑像病害的产生和发展与地仗土的物理性质、大气污染及塑像保存环境的温湿度变化等综合因素有关，地仗土中硫酸盐的溶解和结晶过程是塑像酥碱病害发生和发展的主要原因。