淺談石質文物保護材料在石窟寺保護中的應用

喬旭亮

（太原市天龍山石窟博物館，山西 太原 030025）

天龍山石窟位于太原市城區西南40 km 的天龍山南麓，海拔約1 400 m。始鑿于北朝時期的東魏，其后北齊、隋、唐歷代開鑿。1 400 多年來天龍山石窟在各種自然和人為因素的影響下，損壞嚴重。天龍山的地質主要為砂巖和砂頁巖，因受到長年累月的風吹、日曬和雨淋，巖面表層疏松，風化剝落嚴重。天龍山石窟目前存在的主要問題包括裂隙、表面分化、空鼓、生物侵蝕等。

通過對天龍山砂巖礦物組成和物理力學性質的檢測可知：①天龍山砂巖為含礫粗—中粒石英砂巖，石英含量高，化學成分以SiO2為主；②砂巖強度類型按實測飽和單軸抗壓強度分級，天龍山砂巖的飽和抗拉強度為52.94 ～56.05 MPa，屬于堅硬巖石；③天龍山砂巖不具崩解性、膨脹性低、軟化系數較低、抗凍性差、抗分化能力中等，影響天龍山石窟的因素有降雨、季風和晝夜溫差較大等。

目前石質文物保護材料的研究和應用大致可分為如下幾個方向：無機加固材料、有機加固材料、復合材料、新型保護材料（有機氟聚合物、納米材料、生物型材料）。

位于天龍山天龍寺內石質文物構件石獅和碑亭等作為天龍寺的附屬文物，近年來石質文物風化現象十分嚴重，表面風化片狀剝落、鱗片狀起翹、缺失、裂隙等病害嚴重。因此石刻文物的加固防護迫在眉睫。通過詳實的室內外試驗、測試、分析、監測，以及石質文物專家的現場指導和論證，擬對風化開裂較為嚴重的剝落和起殼石刻本體進行針對性的加固。如果石獅和碑亭的修復效果良好，則也可對石窟同樣的剝落、起殼、開裂等危害進行搶救性加固修復。

在進行現場加固材料試驗之前，對現場采取試樣進行室內試驗，得出物理力學及理化性質指標，進行了大量的加固材料的室內模擬配比正交試驗。找出與項目區母巖強度相匹配，加固性能良好的加固材料，并在母巖本體上進行實際加固操作。

現場防風化材料從三個方面考慮，包括加固止水材料、防氣透水深層加固材料和表面滲透固結材料。根據前述所有針對母巖的物理力學、理化指標結果，選擇加固材料的原則是兼顧母巖的強度，使得加固材料的強度比母巖的強度略低，另外由于當地氣溫溫差較大，文物本體強烈的熱脹冷縮效益需遵循微應變調控加固機制，保證加固材料與石刻母巖變形協調的一致性。

1 灌漿加固材料

1.1 裂隙灌漿材料

充填加固材料主要以水硬性石灰為主，石英砂、母巖砂巖粉等為輔。

水硬性石灰屬于無機灌漿材料，并且具有強度適宜、耐風化、透氣性、抗凍融性強等優點，近些年在文物保護中得到較廣泛的應用。使灌漿材料硬化后強度能與裂隙兩側不同程度風化巖體的強度相協調，需要進行大量的配比實驗進行驗證。

對于外露淺部裂隙以及文物本體附近裂隙的灌漿治理，本試驗方案在總結以往石質文物保護中所使用灌漿材料的經驗，結合其他文獻資料和科研成果，以NHL5 型水硬性石灰、偏高嶺土和石英砂為灌漿材料主料，以其他添加劑為輔料進行配比實驗。

加固材料的流動性關系到工程應用中材料與巖體裂縫間的填充效果，實驗配比采用水硬性石灰、偏高嶺土和石英砂作為主料，同時添加外加劑，共設計4 種實驗配比，通過改變兩種主料的不同比例研究其流動性。

在完成配合比實驗后，在不同的時間、用不同的設備和不同批號的材料，制作兩批（B80-19、B80-20）試塊進行驗證，排除偶然因素的影響。經過對實驗進行數據統計發現：B80-19、B80-20 兩組實驗取得的抗壓、抗折強度都得到了較好的結果，通過28 d 養護周期，抗壓強度達到了22 MPa，對比前述母巖標準樣單軸抗壓強度標準值P=35.78 MPa，以及凍融前表層非標準樣單軸抗壓強度平均標準值P=25.5 MPa，可見兩組材料配比實驗在強度上略小于文物本體或母巖的強度，具有較高的匹配性，同時滿足工程可灌入要求和微膨脹要求。

同時，對不同批號的材料S80 和B80 試塊進行易溶鹽分析，排除偶然因素的影響，對比石刻本體及母巖的易溶鹽含量。通過對各組實驗試塊進行易溶鹽測定，發現采用水硬性石灰為主易溶鹽的含量中，HCO3-和SO42-含量為0，CO32-和Cl-含量對比本體砂巖較多，其余陽離子含量較為接近，整體上考慮，易溶鹽含量較為匹配。

因此，在裂隙灌漿的治理中，本加固方案推薦采用以下配比方案，以后將此方案統稱為“水硬性石灰”：NHL5∶偏高嶺土∶石英砂=1∶0.6∶0.4，水灰比0.45∶0.5。

1.2 填充加固材料

填充加固材料天然水硬性石灰注漿料NHL-i03/100為天然水硬性石灰改性材料，適用于裂隙的灌漿和缺失部位的部分填充，該材料已經進行大量室內和室外實驗驗證，具有適宜的強度和較好的有耐侯性。

防水透氣深層加固材料。無機硅保護液是專門為土、磚、石類文物研制的納米級（10 nm 以下）無機硅加固、保護材料，且不改變文物外觀及內部結構。分別起加固與封護的作用。適用于巖體風化層厚度未超過10 mm 處的風化部位。

1.3 裂縫封堵材料

所謂的裂縫封堵材料即選用環氧樹脂為有機灌漿材料，其優缺點明顯，分別如下。

優點為：①環氧樹脂為有機物，裂隙灌漿更具可灌性，更適合巖體細小裂隙灌注；②能夠按照工程的需求調節漿液的膠凝時間；③具有更高的粘結強度。

缺點為：環氧樹脂在紫外線的照射下易發生老化。

因此在本項目中，環氧樹脂只用于裂隙封堵，是灌漿和裂隙內部清洗的中間過程，不作為灌漿料和加固材料使用。

總結以往石質文物巖體加固工程成功案例所積累的經驗，本次環氧樹脂灌漿材料選用德國進口的Viscacid?灌漿環氧樹脂100。

Remmers?灌漿環氧樹脂100 灌漿液推薦配比組成。一般配比率為A 組分∶B 組分，按質量比為100∶28，按體積比為100∶36。

2 石獅子、碑亭加固方案

石獅子、碑亭的病害包括粉化剝落、片狀/鱗片狀起翹、缺失、裂隙和空鼓等。

2.1 粉化剝落、片狀/鱗片狀起翹加固措施

粉化剝落、片狀/鱗片狀起翹的病害主要由于膠結物大部分被溶蝕遷移所導致，因此治理思路為減緩粉化病害區膠結物溶蝕、加固片狀起翹防止其脫落。

粉化剝落的治理采取如下措施：①根據不同部分對治理區域進行劃分，確定分片治理區域邊界；②采用蒸汽和丙酮對病害區域進行清洗，清洗掉巖石粉塵和碎末；③對清洗區域進行遮蓋，保護其表面清潔；④采用無機硅保護液對病害處進行滴注，共滴注2 次；⑤保護液液滴注后采取保護措施，防止雨水和灰塵污染；⑥對加固表面進行做舊處理。

2.2 局部缺失治理方法

局部缺失治理原則是對現狀的加固，防止缺失部分進一步惡化，而不是修復，治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮對病害區域進行清洗，清洗掉巖石粉塵和碎末，并且要對裂隙表面深處進行除塵清洗；②對清洗區域進行遮蓋，保護其表面清潔；③采用無機硅保護液對病害處粉化部位進行滴注，共滴注2 次；④采用環氧膠泥對裂隙進行封堵，并埋置注漿管和排氣管；⑤采用丙酮通過注漿管和排氣管對裂隙內部進行清洗；⑥丙酮揮發后，采用天然水硬性石灰對裂隙進行灌漿加固；⑦對加固表面進行做舊處理。

2.3 裂隙的治理方法

裂隙的治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮對病害區域進行清洗，清洗掉巖石粉塵和碎末，并且要對裂隙表面深處進行除塵清洗；②對清洗區域進行遮蓋，保護其表面清潔；③采用環氧膠泥對裂隙進行封堵，并埋置注漿管和排氣管；④采用丙酮通過注漿管和排氣管對裂隙內部進行清洗；⑤丙酮揮發后，采用天然水硬性石灰對裂隙進行灌漿加固；⑥對加固表面進行做舊處理。

2.4 空鼓的治理方法

空鼓的治理方法與裂隙的治理相似，但加固材料有所不同，具體的治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮對病害區域進行清洗，清洗掉巖石粉塵和碎末，并且要對裂隙表面深處進行除塵清洗；②對清洗區域進行遮蓋，保護其表面清潔；③采用環氧膠泥對裂隙進行封堵，并埋置注漿管和排氣管；④采用丙酮通過注漿管和排氣管對裂隙內部進行清洗；⑤丙酮揮發后，采用天然水硬性石灰注漿料NHL-i03/100 對裂隙及其下部空區進行灌漿加固；⑥對加固表面進行做舊處理。

2.5 碑亭的生物病害治理措施

碑亭的生物病害主要表現在砂巖表面顏色改變，加速了巖體的表面的風化速度。由于生物病害的發生、發展與文物本體的砂巖質和賦存環境有關，本方案對其治理思路為改善文物本體的表面環境條件，具體措施如下：①清除碑亭周邊及內部風積和塵土；②采用蒸汽對碑亭進行徹底清洗；③清洗后采取防護措施，防止碑亭再被污染；④清洗干燥后對整個碑亭采用特種有機硅氟聚合物防水劑進行防水處理，防水劑采用噴涂的方法進行施工，以防水劑不成流為原則進行噴涂；⑤防水劑噴涂后應及時進行覆蓋養生，待巖體干燥后再噴涂下一次，如此反復3 次。

3 結語

天龍山石窟與天龍寺內的附屬文物石獅、碑亭材質都為砂巖，區域空間的溫度、濕度等天氣條件相同。為更好地保護石窟寺，對石窟寺存在比較嚴重的粉化剝落、片狀/鱗片狀起翹、缺失、裂隙和空鼓等現象，也可以用此方法來進行緊急修復，對石窟寺進行搶救性保護，但原則是盡量不對文物本體進行干預。