徽州地區石質牌坊病害機理研究

姚政權++楊娟++徐靖++魏國鋒++秦潁

徽州，地處皖、浙、贛三省交界，文化底蘊豐厚，是明清徽商故里，是中國正統儒文化傳承的典型區域，被譽為“東南鄒魯”。在徽州地區現存的建筑遺產里，徽州牌坊以其鮮明的地域特性，與民居、祠堂一起構成徽州最具特色的建筑形式和人文景觀，是儒家倫理道德的物化象征，濃縮了徽州建筑乃至徽文化的基本特質，可謂徽文化的縮影。

現存的徽州牌坊長期處于戶外露天環境，保存現狀大都不太穩定，各種自然營力（日照、風、雨、生物寄生、大氣污染等）和人為營力（農耕生產、車輛行駛產生的尾氣、灰塵、震動等）都持續作用于牌坊本體或基礎。石材風化剝蝕日趨嚴重，粉化、剝落、裂隙、斷裂、灰漿流失、生物寄生等現象隨處可見，牌坊表面遍布藻類、蘚類、地衣等生物，石材表面脫落，雕刻模糊不清。更有甚者，一些裂隙發育已嚴重影響到牌坊的結構穩定性，其病害情況可以說是觸目驚心。因此，對牌坊開展科學系統的病害調查、評價和分析，探明其病害機理十分必要和迫切。

2013年，安徽省文物考古研究所承擔了文化部國家文化科技提升計劃項目“徽州牌坊的保護修復與數字化展示研究”。課題組對歙縣、績溪、黟縣等地現存的28座石質徽州牌坊進行了系統的病害調查。從所調查的28座石質牌坊的病害發育情況來看，各類病害在徽州石質牌坊上的發育呈現多樣化的特點，隨其賦存環境、石材材質的不同而表現出不同的劣化現象。在所調查的28座石質牌坊中，低等生物病害、生物斑跡（特別是黑色結殼）和水銹病害普遍比較發育。盡管這些病害對石質牌坊的危害較為緩慢，但對徽州牌坊的侵害是持續不斷的，容易和其他劣化因素共同作用，加速石質牌坊的風化。同時，低等生物病害、生物斑跡（特別是黑色結殼）和水銹病害的存在對徽州牌坊的風貌也會產生較大的影響。其次，徽州牌坊石質構件還存在缺損、風化剝蝕、斷裂、裂隙等病害，嚴重的甚至危及牌坊的安全。而且不同材質構件所呈現的剝蝕病害形式存在較大差異，砂巖類構件風化最為嚴重，凝灰巖和灰巖構件次之，花崗巖構件風化程度最小。此外，不當修補和其他人類活動也對徽州石質牌坊形成危害。

各類病害在徽州石質牌坊上發育的原因是復雜的、多方面的，往往是各種因素綜合作用的結果。有自然的物理、化學和生物過程，也有人為因素的影響。長期處于露天環境的徽州石質牌坊，其各類病害的發育與其巖石特征、所處環境密切相關：1.巖性和巖體結構是其風化的物質基礎，是內因。不同的巖石具有不同的礦物組成和結構構造。不同礦物的溶解性差異很大，節理、層理和孔隙的分布狀況和礦物的粒度，又決定了巖石的易碎性和表面積，這就使得徽州牌坊不同石材構件的病害類別、病害發育程度各有不同。2.氣候、氣象條件是石質文物風化病害的外因。氣候因素主要是通過氣溫、降水以及生物的生長繁殖狀況而表現的。3.人為因素。人為因素包括的范圍比較廣，既有歷史時期（特別是文革時期）對徽州牌坊的人為破壞，譬如對額枋上雕刻的破壞、石灰涂刷等，也有人們生活、生產活動所造成的損害，譬如雜物堆放、汽車尾氣、農業生產等，以及保護修復過程中所采用的水泥、鐵質鈀釘等不當修補。

一、徽州牌坊石質構件的巖石特征

徽州石質牌坊屬于地面石質建筑物及構筑物，其基本結構一般由基座、立柱、額枋、字板（匾額）和檐頂五個部分組成。建造徽州石質牌坊所使用的石材主要有凝灰巖（茶園石）、灰巖（黟縣青）、花崗巖（白麻石）和砂巖。徽州石質牌坊或由單一石材整體構筑，或以花崗巖構筑立柱等承重結構，額枋、字板等部分則采用茶園石或砂巖，如薇省坊、奕世尚書坊等。在這四類石材中，花崗巖的主要成分是硅酸鹽礦物，能夠很好地抵御化學風化，所以在徽州牌坊中經常被用作承重的立柱。而凝灰巖、灰巖和砂巖均具有沉積巖特性，容易發生風化。石材礦物組成和結構構造的差異使得徽州牌坊不同石材構件的病害類別、病害發育程度各有不同。

在徽州石質牌坊中使用最多的是產自浙江淳安茶園鎮的茶園石（“淳安縣東五十里茶坡，溪南兩峰相峙，其山產青碧堅石”），如許國石坊、縣學甲第坊、進士坊等完全由茶園石所建。茶園石質地韌柔而均勻，采前石質較軟，大小厚薄因需而取，采出后逐漸變硬，且不易風化，故有“天下美石出茶園”之說，是浙西、徽州一帶主要建筑材料。據史料記載，南宋遷都臨安時，宮殿、御道、碑亭、牌坊等建筑所用石質構件均為茶園石。民國《歙縣志》曾指出：徽州歙縣等地“道路皆以石成之，雖窮鄉僻壤，入山小徑，靡不石也”。這些道路使用的石料，基本上都來自茶園。

圖1～圖3是取自績溪龍川奕世尚書坊掉落茶園石構件樣品的巖相和XRD分析結果，樣品分析由中國科學技術大學科技史與科技考古系完成。根據巖相顯微觀察，該構件為晶屑凝灰巖。碎屑主要由石英、長石及少量云母等暗色礦物晶屑及少量巖屑和玻屑組成，含量在40%～50%。暗色礦物及長石泥化明顯，玻屑塑性變形不明顯，有脫玻化現象。基質主要有火山灰及粉砂級石英等組成，結合衍射物相分析看，這些火山灰等已蝕變和風化成（方）沸石、蒙脫石等。

凝灰巖在工程地質中被劃分為軟巖，其干強度較好，結構細致均一，質地又不太硬的晶屑凝灰巖常作為建筑雕刻石材。凝灰巖為火山活動噴達地表后火山灰冷凝固化形成，具有沉積巖的特征，為火山碎屑凝灰結構。“凝灰”主要由小于2毫米的火山碎屑組成，碎屑成分主要是火山灰，其中以玻屑凝灰巖、晶屑-玻屑凝灰巖最常見，具典型凝灰結構。

結合宏觀病害調查和巖相、X衍射分析，奕世尚書坊的晶屑凝灰巖構件已經風化較為嚴重。從宏觀上看，主要表現為片狀剝落風化和溶蝕；微觀上則表現為脫玻化和蝕變，產生了沸石和蒙脫石等風化產物。應該是發生了物理風化和化學風化相結合但以前者為主的風化。

徽州石質牌坊中使用僅次于茶園石的石材是產于徽州本地的“黟縣青”，棠樾牌坊群、黟縣刺史牌坊都是此種石材。黟縣青，又名黟山清水石，石材軟硬適中，是徽州“三雕”之石雕主要用石。

圖4～圖6是取自黟縣刺史牌坊樣品的巖相照片，樣品分析由中國科學技術大學科技史與科技考古系完成。從巖相分析結果來看，1號樣品為黑-灰黑色含碳質鈣質板巖，含少量粉砂級石英、云母顆粒，見星點狀黃鐵礦，具微細層理。2號樣品為灰黑色鈣質板巖，含少量碳質及石英顆粒。

板巖是具有板狀結構，基本沒有重結晶的巖石，是一種沉積巖，原巖為泥質、粉質或中性凝灰巖。板巖的顏色隨其所含有的雜質不同而變化：含鐵的為紅色或黃色，含碳質的為黑色或灰色。因此一般以其顏色命名分類，如灰綠色板巖、黑色板巖、鈣質板巖等。由于表現出大變形和流變特性，板巖被工程界定義為軟弱圍巖。從刺史牌坊巖性來看，以碳質板巖為主，力學性質很差，其巖性具膨脹性，屬變質巖，遇水即風化易崩解。

另外，刺史牌坊所用石材（板巖）內部含有黃鐵礦（FeS2），肉眼可見板巖內含有星點狀的金屬光澤。黃鐵礦風化后會變成褐鐵礦（FeO（OH）·nH2O）或黃鉀鐵礬。這是牌坊石材表面黃褐色條紋污染產生的主要原因。

二、徽州石質牌坊病害發育的環境因素

（一）歙縣自然地理概況

歙縣位于安徽南部，地處東經118°15′～118°53′，北緯29°30′～30°7′，屬于中亞熱帶與北亞熱帶過渡區。東北與績溪縣和浙江省臨安市交界，東南與浙江省淳安縣、開化縣毗連。總面積2122平方公里，丘陵面積約占總面積95%。境內河溪縱橫，森林茂密，生物多樣，七山一水一分田，一分道路和莊園。

歙縣屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.4℃，多年平均降水日數154.3天，降水量為1536.2毫米，屬皖南多雨區。據天氣網統計，自2011年元月1日到2016年4月1日，歙縣共出現：雨840天，多云673天，晴203天，雪58天，陰52天。

（二）歙縣2013年～2015年溫濕度變化數據分析

1.2013年11月～2015年11月氣溫變化情況

課題組采集了2013年11月1日～2015年11月30日每天的最高氣溫和最低氣溫，日最高氣溫波動范圍1～38℃，日最低氣溫波動范圍-7～26℃，氣溫日較差在1～19℃范圍內波動。

巖石是熱的不良導體，隨著大氣溫度變動，表層與內部受熱不均，產生膨脹與收縮，在石質文物表面形成裂隙。因此，氣溫波動對徽州石質牌坊病害的物理作用機制，主要是牌坊石質構件的熱脹冷縮所產生的溫差應力[1]作用于構件表面，沿原生微結構面拉裂擴展，從而在石質構件表層發育片狀開裂以及剝落病害，同時使得風化營力繼續向石質構件內部侵入。此外，徽州地區冬季低溫高濕的氣候條件也會使得牌坊構件經受凍融、冰劈傷害。

2.2013年11月4日～2015年11月4日濕度變化情況

課題組采集了2013年11月4日～2015年11月4日每天的最高、最低相對濕度和對應的溫度，并計算出相應的絕對濕度。在此期間，日最高相對濕度波動范圍為46%～100%，日最低相對濕度波動范圍為10%～96%，日波動幅度在2%～81%之間。為了更直觀地表征大氣中水蒸氣含量的實際多少，課題組根據相對濕度數據和對應溫度，計算了每日大氣絕對濕度的變化范圍。經計算，日最高絕對濕度的波動范圍為2.08g/m3～23.36g/m3，日最高絕對濕度的波動范圍為0.83g/m3～22.96g/m3，絕對濕度日較差最大可達到9.66g/m3（表1）。

表1 采樣期間歙縣絕對濕度日變化極值

溫暖潮濕的氣候環境有利于化學風化作用的進行。氧化作用、溶蝕作用、水解作用、水化作用、碳酸化作用以及生物化學作用等一系列化學風化作用過程都比較活躍和強烈。同時，多雨天氣會使得隨風化作用分解的元素或化合物隨水流失，風化速度加大，從而使得牌坊石質構件遭受破壞。同時，溫暖潮濕的環境非常適宜低等植物（苔蘚、地衣、蕨類等）的生長。而且大氣中硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等有害氣體易于和空氣中水蒸氣形成無機酸，腐蝕石質牌坊，使得石質牌坊表面的精美紋飾逐漸模糊，字跡漫漶不清。

（三）歙縣2013年～2015年大氣污染物數據分析

1.大氣污染物

對徽州石質牌坊產生危害的大氣污染物主要有硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等有害氣體以及懸浮顆粒物、臭氧等。課題組采集了2013年11月1日～2015年10月31日期間黃山市環境保護局發布的空氣質量日報數據。黃山市中心城區的監測數據為：可吸入顆粒16～333μg/m3，細顆粒物5～188μg/m3，一氧化碳14～1186μg/m3，二氧化硫5～65μg/m3，二氧化氮6～72μg/m3，臭氧日最大1小時平均值32～52μg/m3。2015年底，黃山市在歙縣黃山東路89號布設了監測點，其空氣質量實時發布系統數據更能代表歙縣的大氣污染物濃度（圖7、圖8）。

從監測數據來看，徽州地區的空氣質量相對較為優良，由氮氧化物、硫氧化物所導致的牌坊石質構件化學風化作用不劇烈，更多表現為長期緩慢作用，這一點也與巖相分析結果較為一致。

大氣中懸浮顆粒物所形成的附積病害在牌坊上發育具有下述特點：（1）處在人流密集的景區和車輛往來頻繁的公路附近的牌坊上附積病害相對較為發育。（2）牌坊上檐頂、斗拱和額枋的雕刻部分容易積累浮塵。這說明徽州石質牌坊上附積的懸浮顆粒物主要還是源自土壤、公路和建筑揚塵，與人類活動關系密切。而且雨水沖刷不到的隱蔽部位更容易附積灰塵。

2.酸雨

皖南地區酸雨的頻率較高，是酸雨影響的重要區域。根據《安徽省環境狀況公報》，2005年，黃山市酸雨頻率73.8%；2006年黃山市酸雨頻率82.4%；2007年黃山市酸雨頻率59.6%，降水年均pH值4.66；2008年黃山市酸雨頻率68.1%，降水年均pH值4.96；2009年黃山市酸雨頻率67.5%；2010年黃山市酸雨頻率72.3%，降水年均pH值低于5.6，黃山市為中酸雨區；2011年黃山市酸雨頻率70.1%；2012年黃山市酸雨頻率90.5%；2013年黃山市酸雨頻率84.2%，降水年均pH值低于5.6；2014年黃山市酸雨頻率78.8%，降水年均pH值低于5.6。

唐先干等[2]對皖南山區2007年4～11月雨水中主要陰、陽離子測定表明：雨水中的SO42-是含量較高的陰離子，其平均含量為39.69μeq/L。陽離子中Ca2+的最高濃度和平均濃度都是最高的，分別達到了385.98和68.82μeq/L，雨水中的Ca2+除了主要來自土壤、公路、建筑揚塵和周邊的石膏粉工業外，可能還有來自北方塵土的遠程遷移。降水中高濃度水平的NH4+說明了有較強的NH3來源，其主要來自農業中氮肥的施用、生物過程和生物質的燃燒，還有周邊城市的汽車尾氣排放、化工排放。

從上述大氣污染物濃度數據和酸雨檢測分析數據來看，皖南山區大氣污染的特征是SO2和NOx并重的復合型污染，主要是一些較近源的農業活動和遠源的工業污染的結合。大氣污染物和水汽結合，以酸雨的形式腐蝕石質牌坊構件。腐蝕產物在雨水的沖刷作用下，既能導致構件表層膠結物流失，又會在構件表面產生條痕狀水銹結殼。大氣污染物中的懸浮顆粒物在石質文物表面形成附積，吸附水分，還能給低等植物提供養分。同時，懸浮顆粒物中的Fe、Ni、Cr等金屬氧化物能夠催化SO2的氧化速度，加速石質文物風化。

三、徽州石質牌坊構件可溶鹽含量的測定

課題組在進行病害調查時，從奕世尚書坊和柏臺世寵坊上采集了小塊巖石樣品，委托安徽大學進行可溶鹽含量測定，數據如圖9、圖10所示。

從奕世尚書坊和柏臺世寵坊樣品的離子色譜數據來看，徽州石質牌坊構件可溶鹽的陽離子有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+，陰離子為Cl-、NO3-和SO42-。可溶鹽的離子構成與雨水的離子構成略有差異，這是因為可溶鹽的離子來源還包括石質構件的風化產物和地下水中所含離子的遷移。

鹽類風化病害理論上[3][4]認為主要是由三方面的原因引起的：（1） 結晶壓力，即蒸發作用導致溶液發生過飽和作用，溶液中的可溶鹽結晶并對孔隙或裂隙內壁產生膨脹壓力。（2） 水合壓力，即部分可溶鹽遇水發生水合作用而膨脹，對孔隙或裂隙內壁產生膨脹壓力；溶鹽析出時晶體體積膨脹，產生很大的結晶壓力或水合壓力（如CaSO4·n H2O的結晶壓力可達100～200MN/m2）。反復的溶解和結晶足以脹破石材微孔，形成表面裂紋甚至片狀剝落。（3） 溫差應力，即可溶鹽與不可溶巖石礦物的熱膨脹系數存在差異，在快速升溫或降溫過程中巖石晶體之間產生溫差應力。

由于徽州地區高濕多雨的氣候條件，在石質牌坊構件表面基本沒有明顯的鹽晶。但是，在柱座石、立柱底端多發的片狀剝落與可溶鹽的活動應該關聯較大，因為自牌坊上方淋溶攜帶的鹽分和地下水中所含鹽分的遷移都會作用于這個區域。

四、徽州石質牌坊生物病害機理

低等生物在石質牌坊構件表面附著生長，其生長過程實際上就是與巖石礦物基質相互作用的過程。文獻[5]-[8]從生物種類、侵蝕過程和作用機理等角度論述了真菌、苔蘚、地衣、藻類和蕨類等低等生物對石材的侵蝕作用。

徽州地區溫暖濕潤的氣候條件非常有利于低等植物生長。在病害調查過程中，課題組也發現徽州石質牌坊上低等生物病害和生物斑跡（特別是黑色結殼）普遍比較發育，檐頂、夾桿石和柱座石等處往往是苔蘚、地衣等低等植物叢生，而且低等植物死亡后在牌坊構件表面形成大面積的黑色、白色生物斑跡。

低等植物的污染和腐蝕不僅破壞了徽州牌坊的風貌，更可導致石質構件表層的物理和化學性狀發生變化，使其抵抗外界自然風化的能力降低，并最終造成牌坊構件表面變色、結殼、孔隙增多、剝蝕等現象，甚至遮蓋、破壞牌坊表面的雕刻和文字等珍貴歷史文化信息，使得徽州石質牌坊的壽命以及文物價值大大降低。

在徽州石質牌坊上，高等植物病害出現很少，但其危害卻是不容忽視的。柱座石底部雜草對牌坊的影響甚微，但個別牌坊（世科坊）檐頂上方生長的木本植物，若不及時清理，其根系生長的根劈破壞必然會危及牌坊的安全。此外，也有少數牌坊（如尚賓坊、宋登仕郎鮑公墓道坊）的附近有大型木本植物生長，其根系有可能會危及牌坊的基礎。而且木本植物的枝椏會侵入牌坊空間，對牌坊造成擠壓。

五、結語

徽州石質牌坊長期處于露天開放環境，各類病害在徽州石質牌坊上的發育呈現多樣化的特點，隨其賦存環境、石材材質的不同而表現出不同的劣化現象。課題組從徽州石質牌坊構件的巖石特征、大氣污染物、氣候環境和可溶鹽等幾個方面探討了其病害發育機理：

1.石材礦物組成和結構構造的差異使得徽州牌坊不同石材構件的病害類別、病害發育程度各有不同。徽州石質牌坊中使用最普遍的茶園石（凝灰巖）宏觀上的呈現片狀剝落風化和溶蝕病害現象，微觀上則表現為脫玻化和蝕變，產生了沸石和蒙脫石等風化產物，應該是發生了物理風化和化學風化相結合但以前者為主的風化。而另一較重要的石材“黟縣青”為鈣質板巖，其巖性具膨脹性，力學性質很差，也易于和大氣污染物、酸雨發生反應，發表面生溶蝕病害。另外，板巖內部含有黃鐵礦（FeS2），風化后會變成褐鐵礦（FeO（OH）·nH2O）或黃鉀鐵礬，這是牌坊石材表面黃褐色條紋污染（銹變）產生的主要原因。

2.皖南山區空氣質量相對較為優良，但酸雨頻率較高。大氣污染的特征是SO2和NOx并重的復合型污染，主要是一些較近源的農業活動和遠源的工業污染的結合。大氣污染物和水汽結合，以酸雨的形式腐蝕石質牌坊構件。溫暖潮濕的氣候環境對化學風化作用的進行比較有利，腐蝕產物在雨水的沖刷作用下，既能導致構件表層膠結物流失，又會在構件表面產生條痕狀水銹結殼。懸浮顆粒物導致的附積病害在身處人流密集的景區和車輛往來頻繁的公路附近的牌坊上較為發育，與局地人為擾動有關。

3.徽州地區溫暖濕潤的氣候環境，有利于低等植物繁殖，在徽州牌坊表面形成低等植物病害、黑色結殼和水銹病害。低等植物的污染和腐蝕不僅破壞了徽州牌坊的風貌，更可導致石質構件表層的物理和化學性狀發生變化，使其抵抗外界自然風化的能力降低，并最終造成牌坊構件表面變色、結殼、孔隙增多、剝蝕等現象，甚至遮蓋、破壞牌坊表面的雕刻和文字等珍貴歷史文化信息，使得徽州石質牌坊的壽命以及文物價值大大降低。高等植物病害出現不多，但高等植物的根劈和枝椏擠壓危害不容輕忽。

4.徽州牌坊石質構件上的可溶鹽分析結構顯示，陽離子有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+，陰離子為Cl-、NO3-和SO42-，其來源包括大氣沉降、石質構件的風化產物和地下水中所含離子的遷移。在石質牌坊構件表面很難發現明顯的鹽晶，但柱座石、立柱底端是牌坊上方淋溶攜帶鹽分和地下水中所含鹽分的遷移活動的集中區域，也是這一區域構件多發片狀剝落的重要原因 。

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