壁畫起甲修復(fù)材料性能評價指標(biāo)體系的構(gòu)建初探

張化冰，蘇伯民，趙林毅，劉 濤，3，談 翔，韓霈澤，張 瑞，3

[1.敦煌研究院保護研究所，甘肅酒泉 736200；2.國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200；3.敦煌研究院文物保護技術(shù)服務(wù)中心，甘肅酒泉 736200]

0 引 言

在現(xiàn)代材料研究與應(yīng)用領(lǐng)域，對材料的適用性及適用性能的定量化評價(包括具體指標(biāo)、方法及體系構(gòu)建)，在材料研發(fā)、材料工程化應(yīng)用、新材料的成果推廣、現(xiàn)有材料的合理優(yōu)化使用與持續(xù)發(fā)展等方面，具有建立量度標(biāo)尺、規(guī)范性能參數(shù)和推動行業(yè)發(fā)展的重要作用和意義。成熟的材料研發(fā)與應(yīng)用行業(yè)，例如航空、航天，汽車，建筑工程，油漆涂料等，都已建立了相對成熟、完善的針對各類型材料的評價指標(biāo)體系，擁有科學(xué)、系統(tǒng)的指標(biāo)評價方法，及相對深入的理論研究[1-2]。

1 壁畫起甲成因的材料學(xué)分析

通常，壁畫從內(nèi)到外包含了支撐體(層)、地仗(壁面)層、粉層或打底層(有時省去)、顏料層及表面涂層等4～5層結(jié)構(gòu)。如從壁畫制作的材料、工藝及結(jié)構(gòu)看，古代壁畫也可看做是一種典型的、古代的“多層材料復(fù)合體”，即利用性質(zhì)相近、可相親(不同材料界面間可發(fā)生黏結(jié)、吸附和機械咬合等作用)的幾種材料，通過一定的方法(工藝，部分類似于建筑物的墻體抹泥、抹灰)，將不同材料分幾次、多層的復(fù)合在一起，組成一個相對完整封閉的結(jié)構(gòu)體(壁畫)[3-4]。

既然壁畫是一種多層材料的復(fù)合體，那么不同材料層間材料性質(zhì)有差異，加之在環(huán)境因素作用下，會出現(xiàn)材料的各向異性，體現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。例如在溫濕度作用下材料的膨脹與收縮(形變)程度不同；耐老化性質(zhì)差異而導(dǎo)致黏結(jié)性衰退速率不同；顏料的褪色、變色程度不同等，均會導(dǎo)致壁畫最終出現(xiàn)多種病害。

這其中，起甲是威脅壁畫保存的主要病害之一。起甲指壁畫的底色層(即粉層)或顏料層及之上的表面涂層發(fā)生的開裂、龜裂，進而呈鱗片狀卷翹的現(xiàn)象。如起甲呈氣泡狀鼓起、破裂和卷曲起翹的，則稱為泡狀起甲[5]。通常，起甲多發(fā)生在壁畫多層結(jié)構(gòu)的表層與其下層間，例如表面涂層(顏料層上的)與顏料層間、表面涂層加顏料層與白粉層或地仗層間、顏料層與白粉層間、顏料層與地仗層間等。起甲病害發(fā)展到后期，會導(dǎo)致顏料層最終從粉層或地仗層上脫落，嚴(yán)重威脅壁畫的保存。常見的幾種壁畫起甲病害如圖1所示。

圖1 常見的幾種壁畫起甲病害Fig.1 Several common types of mural flaking

造成壁畫起甲的原因是多重的，但最直接的原因是，相互黏結(jié)的兩層(例如顏料層與白粉層，顏料層與地仗層)間的黏結(jié)力(附著力，一般是較弱的靜電引力和物理機械力等，容易被破壞)隨環(huán)境溫濕度變化、可溶鹽活動、滲水、光照等因素導(dǎo)致膠結(jié)材料老化和界面間材料性質(zhì)、形貌改變等而不斷減弱，逐漸無法制約、抵消同樣由于多種自然、壁畫制作材料、制作工藝(調(diào)和顏料時，用膠較多，溶劑水揮發(fā)帶來的膠結(jié)材料收縮)等因素，甚至是顏料層、粉層、地仗層微弱而緩慢的脹縮形變，而產(chǎn)生的存在于層間的應(yīng)力及各層內(nèi)的應(yīng)力(內(nèi)應(yīng)力)。通常這些應(yīng)力都是傾向于抵抗、收縮、撥離層間黏結(jié)力的。當(dāng)蓄積應(yīng)力超過層間黏結(jié)力時，應(yīng)力即會通過黏結(jié)的某一層，如顏料層開裂、龜裂、鼓起、破裂和卷曲起翹等方式釋放，而再次達到一種力的平衡。對壁畫而言，即出現(xiàn)了一種病害-起甲。這一過程及其力學(xué)模型，與涂敷在木材、鋼材上的涂層(包括多層涂層)、建筑物內(nèi)墻上的抹的膩子、刷的涂料(合稱墻皮)失效的過程和原理有類似處[6-9]。

需要說明的是，由以上分析可知，起甲是主要發(fā)生在壁畫最外、最上的幾個材料層間，是力的不平衡造成的，和壁畫本體是哪種類型關(guān)系不大；另一方面，起甲多發(fā)生在干旱、半干旱環(huán)境，潮濕環(huán)境較少，原因是高濕度環(huán)境下，壁畫多層結(jié)構(gòu)都被水汽浸潤，水分子與顏料、與膠結(jié)材料間的氫鍵作用(可能還有其他作用)，可能很大程度上抵消、舒緩了應(yīng)力，使其很難出現(xiàn)起甲(但膠結(jié)材料的老化、水解仍然存在，導(dǎo)致壁畫逐漸脫落或漫漶不清是主要問題)[10]。

2 壁畫起甲修復(fù)材料性能評價的目的、意義及進展

對壁畫起甲病害的修復(fù)，自近代提出的一個總的思路是，采用一些具有一定黏結(jié)性、滲透性的材料(通常是高分子材料的水分散劑)，通過注射、滴加、噴涂等方法，將開裂、起翹的顏料片層滲透、軟化(可能是一種溶劑對膠結(jié)材料的潤濕、滲透、溶脹而軟化的作用)后，再用專門工具輕輕回帖并黏結(jié)在它原來的粉層或地仗層上，最大限度地將起甲的顏料片層保留在壁畫上，并保證壁畫的完整性和原真性(顏色外觀基本無變化)[11]。目前壁畫起甲修復(fù)的主要方法，如圖2所示。

圖2 壁畫起甲修復(fù)的方法Fig.2 Restoration procedures of mural flaking

自20世紀(jì)60年代，中國文物保護科學(xué)技術(shù)研究所、敦煌文物研究所從波蘭引入聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯等材料始，采用天然/合成材料修復(fù)起甲壁畫，逐步取得成功，并在材料性能評價、篩選方法、使用經(jīng)驗、修復(fù)工藝方有了一定的積累。經(jīng)過數(shù)十年篩選，目前比較適合壁畫起甲病害修復(fù)的材料，主要有聚醋酸乙烯酯乳液(白乳膠)、丙烯酸乳液、有機硅改性丙烯酸乳液和明膠(水溶液)等幾類[12]。

T2DM 患者并發(fā) NAFLD 與 BMI、HDL-C、TG、AST、ALT、GGT、FBG、2 hCP、FCP 有關(guān)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；性別、年齡、血壓、TC、LDL-C、2 hPG、HbA1C與T2DM患者并發(fā)NAFLD無關(guān)，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

目前，對壁畫起甲修復(fù)材料的篩選、評價與研究方面，已取得長足進步。早在20世紀(jì)50～60年代，我國壁畫保護工作者在嘗試用美術(shù)臨摹調(diào)制顏料的廣膠、鹿膠、龍須膠、魚鰾膠、桃膠等修復(fù)壁畫起甲時，就開始用一些修復(fù)上實踐性強的方法評價材料的滲透、黏結(jié)、光學(xué)和抗菌防霉性能；20世紀(jì)80年代開始定量地測量和評價材料的一些基本物化性質(zhì)，例如固含量、pH酸堿度、黏度、密度(比重)等；開展了一些初步的材料耐久性試驗評價，包括耐光照、耐浸水穩(wěn)定、耐溫濕度變化等。近年來，在之前工作基礎(chǔ)上，采用高分子化學(xué)、高分子物理應(yīng)用研究(如油漆涂料)的思路、方法，完善了材料的一部分物化性質(zhì)測量，例如玻璃化溫度、分子量分布、力學(xué)性能；研究了修復(fù)材料介入后對壁畫本體的表面性質(zhì)、微觀形貌影響，測量了材料對壁畫本體水汽透過性影響等[13-20]。

國外壁畫修復(fù)材料研究，相對較早，也較成熟，但從文獻梳理來看，同時期(或更早)的研究也主要集中在材料本身的物化性質(zhì)表征、材料的組成與結(jié)構(gòu)分析、材料耐久性(主要是光照老化)及材料介入壁畫后，材料性質(zhì)的變化，對壁畫本體性質(zhì)的影響等偏作用機理方面的研究。從壁畫修復(fù)對材料的需求出發(fā)的系統(tǒng)性的材料性能評價研究還較少[21-24]。

然而，受限于該領(lǐng)域小眾，研究條件有限、人員投入不足等問題，早期相當(dāng)一部分評價與研究(思路、指標(biāo)與方法)，都是從之前數(shù)十年使用感受和實踐經(jīng)驗中積累發(fā)展起來的，工藝、手藝性明顯，主觀判斷、定性描述居多，客觀的定量評價較少，且方法的科學(xué)性不足。而另一部分評價，則是直接參考、借用相關(guān)行業(yè)，如油漆涂料、建筑、土木工程等的思路與方法，研究結(jié)果、數(shù)據(jù)的適用性、針對性不強，且存在一定的分散性，即系統(tǒng)性不強。

隨著壁畫保護實踐和保護科學(xué)的不斷發(fā)展，亟須在總結(jié)材料應(yīng)用實踐經(jīng)驗和材料介入壁畫本體后的機理研究基礎(chǔ)上，采用科學(xué)的分析方法(如問題羅列法或目標(biāo)分解法)，把起甲壁畫修復(fù)對材料的要求、需求，盡可能科學(xué)完整地表達出來，并通過邏輯的逐層遞進的要素分析法，建立“需求-性能-評價指標(biāo)”逐一對應(yīng)的、較為科學(xué)化、系統(tǒng)化、可量化的材料評價指標(biāo)體系，將為壁畫起甲修復(fù)材料的研究、應(yīng)用推廣、新材料研發(fā)、已有材料的合理使用與持續(xù)優(yōu)化、壁畫修復(fù)項目的規(guī)范開展等方面，提供堅實的技術(shù)支撐與理論指導(dǎo)。

3 對壁畫起甲修復(fù)材料的“需求-性能-評價指標(biāo)”體系的分析

通過對近60多年來，國內(nèi)壁畫修復(fù)工程項目報告，國內(nèi)外關(guān)于壁畫修復(fù)材料性質(zhì)評價研究資料，修復(fù)材料介入壁畫本體后的機理研究資料進行調(diào)查與梳理[8-23]，并結(jié)合敦煌研究院在壁畫修復(fù)方面的實踐經(jīng)驗，總結(jié)了壁畫起甲修復(fù)對材料的需求，主要有以下一些方面：1)包括上文分析壁畫起甲修復(fù)思路時提出的材料要對起甲顏料片層、粉層及地仗層等有良好的黏結(jié)性、滲透性、軟化性，介入后不影響壁畫原本的顏色、外觀，作為水性劑的操作，要有一定的可操作性，例如黏度適中，流動性好；材料介入壁畫本體后，不影響本體的水汽透過性，不影響正常的水鹽運移，不改變壁畫本體的表面性質(zhì)(親水親電性)等。2)修復(fù)材料對無機質(zhì)為主的礦物質(zhì)顏料、粉層及地仗層等是安全的，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不引起顏料變色，同時對操作人員和環(huán)境無毒。材料的水性液，不應(yīng)顯示較明顯的酸性或堿性，以中性為宜，即避免與壁畫本體材料發(fā)生酸堿反應(yīng)。3)修復(fù)材料需要有一定的耐久(耐候)性能。修復(fù)后，能夠在相當(dāng)長一段時間內(nèi)(例如二十至三十年間)抵御溫度、濕度變化，凍融，鹽分活動、光照以及微生物等因素的作用，而不出現(xiàn)明顯的材料老化、失效等情況(例如材料發(fā)黃、變硬、不降解、難溶、水汽透過性下降等)。

根據(jù)以上對修復(fù)材料的需求，將其歸納為材料性能所屬的三大要素，即有效性、安全性與耐久性。每個要素包含的子要素及對應(yīng)的具體的評價指標(biāo)見表1。修復(fù)材料評價的指標(biāo)體系樹型圖，見圖3。

表1 壁畫起甲修復(fù)材料需求分析Table 1 Requirement analysis of the mural flaking repairing materials

(續(xù)表1)

圖3 起甲修復(fù)材料評價指標(biāo)體系Fig.3 Illustration of the evaluation indicator system for mural flaking repairing materials

此外，相關(guān)成熟材料行業(yè)，如航空航天、汽車等領(lǐng)域中金屬材料評價指標(biāo)體系，對材料的評價要素還包括了經(jīng)濟成本與可承受性等。然而壁畫修復(fù)材料多使用低濃度稀釋液，材料用量不大，成本因素不突出，故本研究主要討論壁畫修復(fù)材料技術(shù)與機理方面的要素。

4 壁畫起甲修復(fù)材料性能評價指標(biāo)方法的適用性分析

對壁畫起甲修復(fù)材料的評價指標(biāo)，共分為3類14個項目。這些具體的評價指標(biāo)(圖3)包括的范圍比較廣，對材料性能的要求比較多且雜，有修復(fù)操作的，物化性質(zhì)的，微生物的，還有材料耐老化等多個層面，體現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)膹?fù)雜度。究其原因，一方面壁畫處于實際的自然與社會環(huán)境中，影響作用因素眾多；另一方面壁畫本體又是一個多層材料的復(fù)合體，涉及的材料種類多，結(jié)構(gòu)層多，相比其他材料、結(jié)構(gòu)單一的文物體(如石質(zhì)文物等)，研究考慮的因素就會多，問題會更復(fù)雜，也更具挑戰(zhàn)。

表1總結(jié)的具體的評價指標(biāo)，一部分來自壁畫修復(fù)對材料的特殊的需求，帶有明顯的實踐性，即工藝、手藝的特性(也可以理解為壁畫修復(fù)對材料要求的特殊性)，但卻是不可或缺的，例如滲透性能、軟化性能(均主要對起甲顏料片層而言)。實際這個過程包含了復(fù)雜的、多種的物理化學(xué)過程和作用(如潤濕、毛細(xì)吸水、溶脹、壁畫本體材料層的孔隙度、膠結(jié)材料的老化程度及其他作用等)。目前尚未完全研究清楚，直接引用相關(guān)行業(yè)已有的技術(shù)方法，很難全面、準(zhǔn)確地表達需求，而并不適用。適當(dāng)發(fā)展一些，基于壁畫修復(fù)工藝、手藝性的方法，例如滴加、潤濕觀察、手觸等，只要是適用性強，符合科學(xué)原理，可嘗試定性或半定量的評價方法。

又如對材料的安全性評價，對操作人員、環(huán)境的無毒無害作用，一般是參考相關(guān)有毒化學(xué)品管理手冊或標(biāo)準(zhǔn)，對照要求修復(fù)材料中，不使用、不含有即可，屬于一種描述性的、要求性的指標(biāo)。

除此以外的指標(biāo)，包括黏結(jié)強度、流動性、顏色外觀、表面性質(zhì)、耐久性等則是根據(jù)“需求-性能-評價指標(biāo)”模型，在相同的科學(xué)作用機理前提下，直接借鑒相關(guān)領(lǐng)域的評價方法，例如油漆涂料、建筑材料、土木工程以及高分子材料化學(xué)、高分子材料物理、材料耐老化研究等。因而這些評價指標(biāo)，方法上的科學(xué)性、適用性可以保證，結(jié)果是可以定量化或描述準(zhǔn)確的。

5 結(jié) 論

本研究在分析了壁畫起甲病害材料學(xué)成因的基礎(chǔ)上，總結(jié)國內(nèi)外壁畫修復(fù)材料性能評價研究的進展，結(jié)合敦煌研究院多年來壁畫保護的經(jīng)驗積累，采用“需求-性能-評價指標(biāo)”體系，分析并嘗試提出了面向壁畫起甲修復(fù)的材料評價的指標(biāo)、方法及體系。

目前，相比其他領(lǐng)域材料評價指標(biāo)體系研究，面向壁畫起甲修復(fù)的材料評價指標(biāo)、方法及體系的構(gòu)建，還屬于起步階段。存在如相關(guān)理論研究不完善，部分具體評價指標(biāo)方法科學(xué)性不足，量化困難，部分具體評價指標(biāo)方法需進一步針對壁畫起甲修復(fù)做科學(xué)有效的優(yōu)化等問題，還需要通過加大壁畫保護方向的基礎(chǔ)理論研究、相關(guān)分析檢測評價技術(shù)的升級換代，逐步解決。

在逐步解決相關(guān)理論和技術(shù)問題的同時，還應(yīng)采用專家測評系統(tǒng)，分析修復(fù)材料評價指標(biāo)體系構(gòu)建的合理性，確定各級評價指標(biāo)的相對重要性(權(quán)重)，優(yōu)化材料評價模型(體系)，最終建立一個科學(xué)客觀、真實有效的，有可操作性的壁畫起甲修復(fù)的材料評價體系。