奉國寺元代壁畫裂隙病害的初步調查與成因分析

劉 成，李 倩，王 飛，康海鷹

(1. 西北大學文化遺產學院，陜西西安 710069； 2. 陜西歷史博物館，陜西西安 710061； 3. 義縣文物管理局，遼寧錦州 121100)

0 引 言

奉國寺地處遼寧省錦州市義縣東北部，據寺內碑文記載，該寺始建于遼開泰九年(公元1020年)，其主殿大雄殿總建筑面積1 800多平方米，是目前遼代佛教寺院中最大的單體木構建筑[1]。殿內檐墻上繪有精美的元代壁畫，按間口分幅，共有20幅。單幅壁畫高4.65 m，寬4.20 m，總面積達466.7 m2。壁畫規模宏大、線條流暢、畫面富于變化、密宗風格顯著，是元代壁畫藝術的杰出代表，具有極高的歷史價值和藝術價值[2]。

因年代久遠、幾經修繕、保存環境不穩定，壁畫的病害問題已十分突出。1987—1989年對殿內壁畫進行整體保護加固時，從背后對原有墻體進行了分段拆除，并打薄了地仗層，再用1%聚乙烯醇縮丁醛對地仗層進行加固，上述處理完成后壁畫的厚度約為2～2.5 cm。之后在其上涂刷了一層環氧樹脂，又貼上一層玻璃纖維布，如此反復，最后形成三層環氧樹脂、兩層玻璃纖維布的玻璃鋼體作為壁畫的新支撐體[3]，在其后又重新壘砌了紅磚和土坯磚。此次保護加固使壁畫由原來的單一質材料變為了復合材料。而復合材料對于環境變化的差異性反應使得壁畫的病害問題更為復雜，尤其是壁畫的裂隙病害，面臨著內外因的雙重破壞，既影響了壁畫的完整性和美觀性，又影響了壁畫的安全性和穩定性。因此對于壁畫裂隙病害的調查與研究工作刻不容緩。

1 壁畫裂隙調查

壁畫裂隙調查是壁畫研究工作的基礎，調查時采用現場觀測調查和后期CAD病害統計相結合的方法。現場觀測主要是通過肉眼觀察、內窺鏡和超景深顯微鏡拍攝等方式，對裂隙產狀、開裂處的內部結構和裂隙寬度進行調查。后期CAD病害統計則側重于對裂隙長度和裂隙的總體狀況進行評估。

1.1 裂隙分布

1.1.1西墻 西墻共有5處裂隙(圖1)，皆出現在兩幅壁畫的過渡部分，其中W3和W5處于檐柱前，W5縱貫了整幅壁畫，從整體來看裂隙危害并不嚴重(表1)。

圖1 奉國寺大雄殿西墻壁畫裂隙分布圖Fig.1 Fissure distribution map on the west wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

表1 奉國寺大雄殿西墻壁畫裂隙詳情表Table 1 Details of fissures on the west wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

1.1.2東墻 東墻共有4處裂隙(圖2)，其中E1、E2皆縱貫了整幅壁畫，底部比頂部開裂嚴重。E3沿壁畫上端修補區域左側開裂至壁畫底部的須彌山。E4則是修補裂隙的再次開裂，20世紀80年代加固壁畫時，使用了石灰膏和水泥對原有裂隙進行了填充，填充區域與壁畫原始畫面色彩差異較大，因此容易識別(表2)。

表2 奉國寺大雄殿東墻壁畫裂隙詳情表Table 2 Details of fissures on the east wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

圖2 奉國寺大雄殿東墻壁畫裂隙分布圖Fig.2 Fissure distribution map on the east wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

1.1.3北墻 北墻以當心間為隔分為左右兩側，共8幅壁畫，左側有4處裂隙(圖3)，右側有3處裂隙(圖4)。從開裂長度和開裂深度來說，N1最為嚴重，N5、N6、N7也都縱貫了整幅壁畫(表3)。

圖3 奉國寺大雄殿北墻左側壁畫裂隙分布圖Fig.3 Fissure distribution map on the left side of the north wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

圖4 奉國寺大雄殿北墻右側壁畫裂隙分布圖Fig.4 Fissure distribution map on the right side of the north wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

表3 奉國寺大雄殿北墻壁畫裂隙詳情表Table 3 Details of fissures on the north wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

1.1.4南墻 南墻兩幅壁畫繪制在東西盡間，檐柱正處于壁畫兩端，其背面也沒有更換過支撐體，壁畫整體沒有明顯裂隙。

1.2 裂隙特征

根據現場裂隙分布、裂隙走向以及裂隙相關測量數據，可知奉國寺元代壁畫裂隙具有以下特征：自顏料層、細泥地仗層一直開裂到粗泥地仗層；位置大多分布于兩佛像間的過渡處，即檐柱前；基本是從壁畫上端開裂的縱向裂隙；基本是20世紀80年代對壁畫進行保護加固后產生的新裂隙；3/4的裂隙都超過了墻高的1/2，已經嚴重威脅到壁畫的穩定性。

2 裂隙成因分析方法

2.1 分析依據

當下文保行業還沒有建立壁畫裂隙分類標準與評估體系，而建筑壁畫作為建筑的一部分，依附建筑墻體存在，可以參考墻體裂縫的研究方法來進行裂隙病害成因分析。

墻體裂縫的研究一般先需要對其進行屬性劃分，一類是受力裂縫，由外荷載引起，包括靜荷載裂縫、動荷載裂縫和其他荷載裂縫；另一類是變形裂縫，由非荷載作用引起，包括溫度裂縫、不均勻沉降裂縫等。之后再結合對整體建筑物穩定性的評估和建筑物外力來源的調查來確定墻體裂縫產生的具體原因[4]。

因此，對壁畫裂隙病害進行成因分析時，也可先判斷裂隙的屬性，之后再逐一分析可能會影響裂隙形成的因素，將其對裂隙的影響具體化、科學化。同時需要注意的是，與一般建筑物墻體相比，奉國寺元代壁畫所在墻體屬于復合材料構成的多層結構墻體。因此，對裂隙成因進行分析時還需要考量各部分材料的強度極限和形變過程。

2.2 分析儀器

2.2.1顯微觀察 超景深三維顯微系統儀器：KEYENCE基恩氏VHX-5000系列，放大倍數為20～50倍。

內窺鏡：HAWK-FE-02工業內窺鏡，探頭直徑3.9 mm，像素41萬。

掃描電子顯微鏡：VEGA-3XMU型掃描電鏡-能譜分析儀，捷克TESCAN公司生產。

2.2.2化學成分分析 紅外光譜儀：TENSOR27型傅里葉紅外光譜儀，掃描次數為16，分辨率4.0，BRUKER公司生產。

2.2.3環境監測設備 溫濕度監測：WEME-IV二氧化碳溫濕度傳感器、文物表面溫濕度無損檢測多層位溫度監測儀。

3 裂隙成因分析

3.1 裂隙屬性分析

壁畫所在檐墻不承重，不受梁架影響，義縣近50年來也無大規模地震，大雄殿無受外力情況。壁畫開裂的地仗層已經出現了變形，因此通過非外力荷載和變形兩個因素可知該壁畫裂隙應屬于非荷載作用引起的變形裂隙，而變形裂隙可分為沉降裂隙、收縮裂隙和溫度裂隙三類，需根據壁畫現狀調查環境進行下一步細分。

大雄殿在20世紀80年代進行過勘測調查，其臺基四面包砌青磚，內里填充夯土，臺基整體穩定。這一時期還對殿內檐柱進行了修補和替換，保證其結構的穩定性。2006—2008年，天津大學建筑學院對奉國寺重新進行勘察，勘察結果表明大殿整體傾斜0.06°，處于安全范圍，梁架也無歪閃，檐柱高度保持穩定，也沒有傾斜。由以上因素可確定大雄殿沒有發生沉降。

檐柱直徑為68 cm，原材和補材均為松木，松木縱向干濕收縮率0.1%，橫向干濕收縮率4%，檐柱橫向收縮直徑變化范圍為65.28～70.72 cm。檐柱的預留收縮縫為5 cm，遠大于檐柱橫向收縮的最大值。因此，判斷檐柱的干濕收縮膨脹也不會影響到檐柱前壁畫的穩定性。

綜上所述，奉國寺元代壁畫的裂隙病害不屬于沉降裂隙和收縮裂隙，應屬于溫度裂隙。

3.2 開裂原因分析

溫度裂隙是由于墻體各種材料的線膨脹系數不同，在溫度影響下的變形量也不盡相同，而這些變形差在墻體的約束條件下，在墻體內部產生應力，一旦應力超過某部分材料可以承受的極限時，該應力就會在該材料處通過開裂的方式進行應力釋放。因此要對奉國寺元代壁畫的裂隙成因分析，首先需要對組成壁畫的各層材料進行研究。

由壁畫現狀調查結果可知，壁畫從表及里依次為顏料層、白粉層、細泥地仗層、粗泥地仗層、環氧樹脂和玻璃纖維布層、磚層、檐柱、土坯磚墻(圖5)。

圖5 壁畫各層材料Fig.5 Each layer material of mural painting

3.2.1環氧樹脂收縮變形 由壁畫的裂隙調查可知，裂隙處環氧樹脂和玻璃纖維布均已收縮變形，脫離原來位置。這說明環氧樹脂的收縮變形對裂隙有直接影響。

1) 固化收縮。由《遼寧義縣奉國寺大雄寶殿壁畫原地加固保護技術報告》可知，20世紀80年代加固壁畫所使用的環氧樹脂黏結劑的配方為6101環氧∶501#二乙∶二乙烯三胺=100∶10∶9，常溫下固化。

二乙烯三胺屬于胺類固化劑中的脂肪類多元胺，可在常溫下固化，但其脂肪適用期僅20 min，固化時會放出大量的熱，因此在室溫固化時必須添加促進劑，否則會增大固化收縮率[5]。而奉國寺加固壁畫所使用的環氧樹脂體系中沒有添加反應促進劑。因此，環氧樹脂在固化過程中極有可能會出現收縮情況。

2) 溫差收縮。二乙烯三胺與環氧樹脂的當量比會直接影響到固化物的性能，在胺與環氧當量比小于1時，固化劑不足，會導致固化物不能產生緊密的交聯網絡，而奉國寺所使用的環氧樹脂體系二乙烯三胺的胺當量為20.6，E-44型環氧樹脂的環氧當量為227.3，當量比為0.09(小于1)。整個環氧樹脂體系存在固化程度不足的問題，其拉伸強度和玻璃化溫度也會相對偏低。

由壁畫環氧樹脂表面溫度變化圖(圖6)可知，固化后環氧層所處溫度最高可達到31.1 ℃，易超過玻璃化溫度。這將會引起環氧樹脂的玻璃態轉變，致使環氧樹脂體系出現溫差收縮。

圖6 環氧樹脂表面溫度變化圖Fig.6 Surface temperature change diagram of epoxy resin

3.2.2地仗層與環氧樹脂之間的黏結力降低 將內窺鏡探入裂隙深處，發現環氧樹脂與前面的地仗層和后面的磚層都出現了分離情況(圖7～8)。這說明裂隙處環氧樹脂的黏結性已大大降低，失去了對壁畫地仗層的保護加固作用。

圖7 環氧樹脂與地仗層之間的距離Fig.7 Distance between the epoxy resin and the plaster layer

而造成地仗層與環氧樹脂之間黏結力降低的原因，一方面是環氧樹脂與地仗層線膨脹系數差異過大，溫濕度所產生的變形差會不斷累積，致使環氧樹脂和地仗層分離；另一方面則是環氧樹脂隨溫濕度變化發生了老化現象，化學結構改變，黏結強度降低。

由環氧樹脂的掃描電鏡照片可知(圖9)，現在的環氧樹脂內出現了很多大小不一的孔洞，而由原材料、原配比、原工藝制作而成的新的環氧樹脂表面卻沒有出現同樣的孔洞(圖10)。這說明隨著環境和時間的變化，環氧樹脂發生了老化變性，失去了其致密的表面。

圖8 環氧樹脂與磚層之間的距離Fig.8 Distance between the epoxy resin and the brick layer

圖9 環氧樹脂的掃描電鏡照片Fig.9 SEM image of epoxy resin

圖10 新環氧樹脂的掃描電鏡照片Fig.10 SEM image of the new epoxy resin

而將奉國寺的環氧樹脂紅外光譜圖(圖11)與環氧樹脂的標準紅外譜圖對照[6]可知，奉國寺的環氧樹脂沒有3 492 cm-1處的O-H鍵特征吸收峰，表明環氧樹脂的黏結性降低；2 967 cm-1、2 929 cm-1、2 872 cm-1三個CH2、CH3收縮振動中沒有出峰，表明環氧樹脂涂膜的附著力降低、環氧樹脂與地仗層黏結度減小；環氧基團的特征吸收峰915 cm-1沒有出峰，表明該環氧樹脂體系已大部分失效。

圖11 環氧樹脂紅外光譜圖Fig.11 Infrared spectrogram of epoxy resin

3.2.3地仗層空鼓變形 在對奉國寺元代壁畫進行裂隙調查時，發現裂隙所在的區域都出現了地仗層空鼓的現象(圖12)，空鼓深度已超過2 cm。

圖12 空鼓照片Fig.12 Photo of hollowing

由大雄殿空氣濕度監測數據(圖13)可知，壁畫保存環境的濕度變化范圍為23.93%～82.81%，波動性較大。環氧樹脂和地仗層受濕度影響后產生的變化具有很大差異，地仗層作為多孔土質材料，吸水后產生的膨脹收縮要遠遠大于環氧樹脂。因此，在濕度劇烈變化下，強度降低的程度也會遠遠大于環氧樹脂。當環氧樹脂收縮變形時，產生的應力更易向抗拉強度更低、材料性能更加不均勻的地仗層釋放。而隨著環氧樹脂與地仗層黏結力的降低，其收縮應力大于環氧樹脂與地仗層之間的黏結力時，環氧樹脂就會與地仗層分離，將地仗層頂起造成空鼓[7]。

圖13 奉國寺大雄殿空氣濕度變化圖Fig.13 Changes of air humidity in Daxiong Hall of Fengguo Temple

3.2.4地仗層強度降低 受環境濕度變化的影響，壁畫地仗層發生膨脹收縮，再加上失去環氧樹脂的支撐加固作用，地仗層的強度會越來越小。而隨著環氧樹脂的持續收縮變形，環氧樹脂在與地仗層分離后會繼續對地仗層產生應力，一旦累積的應力大于地仗層的極限強度時，地仗層就會開裂。

3.3 開裂過程分析

由上述研究可知，壁畫裂隙的形成經過了以下4個步驟：

1) 環氧樹脂因為固化收縮和溫度收縮產生變形；

2) 由于地仗層和環氧層的線膨脹系數相差過大，再加上環氧樹脂老化，致使地仗層與環氧層之間的黏結力降低，二者逐漸分離；

3) 環氧樹脂收縮變形產生的應力向地仗層釋放，造成地仗層空鼓；

4) 地仗層本體強度隨環境變化降低，當環氧樹脂收縮變形所產生的應力在引起地仗層空鼓后的剩余應力仍大于地仗層的極限強度時，剩余應力就會通過地仗層開裂釋放。

4 結 論

奉國寺元代壁畫的裂隙屬性為溫度裂隙，其裂隙成因是環氧樹脂因固化收縮和溫度收縮所產生的變形應力在地仗層方向釋放。這部分應力在引起地仗層空鼓后的剩余應力仍大于地仗層的極限強度，因而剩余應力通過地仗層開裂的方式得到釋放。

而裂隙多出現在檐柱前則是因為該位置是玻璃纖維布之間的接縫處，當環氧樹脂收縮時，接縫處的玻璃纖維布最易向內收縮，與接縫處的地仗層分離，地仗層與環氧樹脂的黏結力最低，地仗層的極限強度也最低，因此是最容易開裂的地方；而之所以從壁畫上端開裂，則是因為環氧樹脂會在溫度和重力作用下流，使得壁畫上端的環氧樹脂與地仗層的黏結力小于底部，因此會首先開裂。

由壁畫現狀調查可知，環氧樹脂已經老化失效，不能再為壁畫提供支撐增強作用，甚至還會使壁畫產生新的病害，因此需要對環氧樹脂進行處理。同時對疏松的地仗層進行加固。而在今后使用環氧樹脂作為支撐體時，也需要充分考慮不同材料之間的性質兼容，通過環氧樹脂配比的選擇、環境的控制等因素盡可能減少環氧樹脂的收縮變形，也應建立過渡層，以便待環氧樹脂老化后可以對其進行替換，降低對壁畫本體的干預。