壁畫酥堿病害研究概述

徐莉娜,岳永強,馬 千,張 強

(敦煌研究院麥積山石窟藝術研究所,甘肅天水 741020)

0 引 言

壁畫是指通過繪制手段,在天然或人工壁面上制作的畫,是一種具有裝飾和美化功能的繪畫藝術,一般為建筑物的附屬部分。根據制作材料和工藝的不同可將壁畫分為干壁畫、濕壁畫和鑲嵌壁畫。干壁畫和濕壁畫保存數量最多,干壁畫主要分布在東方,濕壁畫則主要保存在歐洲。根據支撐體的不同,又可將壁畫分為殿堂壁畫、石窟寺壁畫、墓葬壁畫三種類型[1]。

受自然環境和人為因素的長期影響,各類壁畫均會產生諸如起甲、龜裂、空鼓、裂隙、酥堿等多種病害。其中,酥堿病害是最嚴重的病害之一,會造成無法挽回的損害(圖1和圖2)。“酥堿”是傳統文物病害術語,被廣泛用于文物領域的古建筑、壁畫以及土遺址等專業范圍。何流[2-3]通過對《王力古漢語字典》《辭源》等相關文獻中對“酥”“堿”這兩個字的內容和表述方式的發展過程進行研究,指出歷史上人們把鹵水中洗出的除鹽以外的結晶稱之為“堿”,民間將出汗在衣服上留下的白色污痕稱為“汗堿”,土壤、石頭、墻壁等表面的白色晶體現象稱為“泛堿”。 其中,“酥”有著松脆和柔軟之意,因此就不難理解傳統文物術語中使用“酥堿”的原因了。

圖1 北石窟寺戲樓酥堿壁畫Fig.1 Murals of the theater in the North Cave Temple

圖2 炳靈寺洞溝2窟酥堿壁畫Fig.2 Murals from Cave 2 of Donggou in Thousand Buddha Caves of Bingling Temple

《古代壁畫病害與圖示》中將壁畫的酥堿病害定義為由可溶鹽作用導致壁畫地仗層產生的疏松狀態,且在此標準中將“酥堿”英文名稱指定為“plaster disruption”[4]。《中國古代壁畫保護規范研究》中指出酥堿為壁畫地仗中可溶鹽隨環境溫濕度變化溶解、結晶所產生的膨脹、收縮反復作用,使得壁畫地仗結構被破壞而產生的疏松狀態,且在英文中將“酥堿”定義為“disruption”[5]。其中:“plaster”意為“地仗”,指出了酥堿病害產生的位置為地仗層,屬于地仗層病害[6];“disruption”則有“破裂,破壞,瓦解”之意,形象地指出了酥堿病害產生的嚴重性和毀滅性。

我國壁畫的科學保護與研究始于20世紀50年代,從簡單壁畫病害調查、預防壁畫病害發生,制作材料、病害機理的研究,到修復材料的應用及保存環境的控制等,其目的均是盡最大可能保存文物本體,延長文物壽命,為文物的保護、研究和利用爭取更多時間。其中,酥堿病害作為壁畫最難治理的病害之一,相關研究人員針對其開展了一系列研究和保護工作,在此過程中既有成功經驗也有不足之處,本工作通過系統梳理病害成因、病害機理、修復材料與脫鹽工藝的相關文獻,為酥堿壁畫的保護提供技術參考和實踐借鑒。

1 壁畫酥堿病害成因及機理研究

1.1 成因分析

關于酥堿病害的成因,國內外學者做了大量研究。國內多位學者采取XRD、XRF、IC等多種測試方法對莫高窟多個洞窟、興隆寺摩尼殿、奉國寺、吐峪溝壁畫顏料層的鹽霜、地仗層及支撐體中可溶鹽的種類進行了分析,發現其可溶鹽主要包含硫酸鹽、硝酸鹽、氯鹽及鉀鹽等,其中:莫高窟顏料層、地仗層及支撐體中可溶鹽包含大量NaCl和Na2SO4及少量的MgSO4、CaSO4·2H2O;興隆寺摩尼殿可溶鹽主要為NaCl;奉國寺及吐峪溝的可溶鹽主要為硫酸鹽、硝酸鹽、氯鹽[7-14]。關于壁畫酥堿病害產生的原因,張明泉等[15]結合莫高窟洞窟位置、窟內自身裂隙、窟前灌水、洞窟內溫濕度變化產生的凝結水等各種外界因素,推斷導致莫高窟壁畫發生酥堿病變的原因是洞窟圍巖和地仗層中的易溶鹽在水分的參與下發生溶解、遷移、沉淀、陽離子交換和重結晶作用,使得地仗顆粒之間連結力減弱,導致顏料層剝落,地仗層疏松、掉塊或散落。嚴妍等[16]結合克孜爾石窟環境監測數據,提出降雨、地下水及游客帶來的水汽都是造成壁畫酥堿病害的原因。黃美燕等[17]根據陳道望故居壁畫酥堿病害產生的分布區域指出,降雨是導致屋角當溝滴水處壁畫酥堿病害產生的主要因素。劉文兵等[18]通過壁畫的材質對壁畫產生酥堿病害的相關性進行了分析,指出壁畫地仗層結構的酥松、顆粒大小的不均勻及較多的孔隙,是可溶性鹽的通道,為壁畫酥堿病害的產生提供了基礎條件。

國外學者對多處壁畫鹽霜和酥堿樣品進行分析研究,發現國外壁畫鹽霜和酥堿地仗中的可溶鹽種類較多,各個國家存在一定差異,例如:英國克萊夫修道院鹽霜和酥堿樣品可溶鹽主要為硝酸鹽、硫酸鹽及數量可觀的鈣離子、鈉離子、氯離子和鉀離子[19];意大利龐貝壁畫樣品主要包含CaCO3、K2CO3、Na2SO4·10H2O、CaSO4·2H2O、CaC2O4等可溶鹽,且在不同環境下墻面的酥堿樣品中所含可溶鹽的成分不一樣[20];羅馬圣克萊門特教堂樣品其主要成分為CaSO4和CaCO3,且作者推測,以上兩種鹽分存在是由于空氣中高濃度的污染物CO2和富硫顆粒在高濕度和極弱的空氣循環下導致地仗層表面發生碳化和硫酸化過程[21];葡萄牙17世紀Casa de Fresco的樣品主要成分為CaCO3和Ca-Mg碳酸鹽[22];土耳其希拉波利斯島104島壁畫酥堿樣品主要含有不同水合狀態的Na2SO4、NaNO3、KNO3、KCl和Na2SO4[23]。

通過對國內外壁畫表面鹽霜及地仗樣品主要成分的分析結果進行比較和統計(表1),發現國內外壁畫表面鹽霜和地仗層可溶鹽的種類有所不同,推測導致國內外可溶鹽主要成分不同的原因為國內外壁畫類型及所屬地域的不同。文獻中所提到的國內莫高窟壁畫樣品中可溶鹽的種類基本一致,但有區別于其他地區導致酥堿病害發生的主要可溶鹽種類;國外為多個國家樣品,其制作材料、工藝及環境之間的差異更使得可溶鹽呈現出多樣性的現象。盡管不同國家、不同區域壁畫鹽霜及地仗層可溶鹽的種類有差異,但導致壁畫酥堿病害產生的原因基本一致,即地仗層及支撐體中可溶鹽在外界毛細水、濕度等環境因素的影響產生溶解、結晶、遷移等反復作用,最終使地仗結構破壞而產生疏松狀態。

表1 國內外壁畫酥堿樣品可溶鹽分析Table 1 Soluble salt analysis of domestic and foreign mural samples suffering from plaster disruption

1.2 機理研究

在1.1中各位學者對不同地區酥堿樣品中可溶鹽成分進行分析,并對酥堿病害產生原因進行簡單推理。為了能夠進一步驗證以上分析及推理的科學性和合理性,相關學者做了大量模擬試驗,不僅從動力學和熱力學方面闡述了可溶鹽在不同環境下溶解和結晶的現象,還通過制作模擬試塊探討了不同含量可溶鹽在不同載體下以毛細遷移及吸濕/脫濕作用對酥堿病害產生的影響。

1.2.1可溶鹽閾值探索試驗 陳港泉等[24-25]、王菊琳等[26]分別從含鹽量和鹽水比兩方面對模擬試塊酥堿病害產生時可溶鹽閾值進行了研究,為更直觀地對比兩者相關研究之間的關系,將王菊琳等研究成果中的鹽水比轉換為含鹽量(表2),兩者試驗方案及結果對比見表3。

表2 鹽水比和含鹽量的對應值Table 2 Corresponding values of salt water ratio and salt content

表3 可溶鹽閾值探索模擬試驗對比Table 3 Comparison of soluble salt threshold exploration simulation tests

通過對比以上兩組學者的研究成果(下文中將陳港泉組和王菊琳組的試驗分別稱為試驗1、試驗2)發現在同種試驗條件下:當兩種模擬試塊含鹽量≤2%時,均不產生酥堿病害;含鹽量≥2%時,均產生了病害,但病害呈現方式存在差異。其中:試驗1中模擬試塊在含鹽量為3%時,試塊僅產生裂隙;試驗2的模擬試塊在含鹽量為2.35%～3.52%之間已經產生了和莫高窟酥堿病害相同的現象;試驗1中模擬試塊含鹽量在達到6%時,也產生了和莫高窟酥堿病害相同的現象;試驗2中模擬試塊的含鹽量超過了4.60%時,雖未見酥堿病害產生,但顏料層、地仗層全部脫落。因此,可以從以上現象推斷:首先,高含鹽量的模擬試塊容易產生酥堿病害且含鹽量越高破壞性越嚴重;其次,不同含量、不同種類可溶鹽及不同成分的地仗均會影響到酥堿病害的產生及呈現方式。

1.2.2毛細遷移試驗 考慮到壁畫地仗、支撐體均為多孔材料,且地仗和支撐體材料中可溶鹽會隨著毛細水的遷移而運移。因此,以土的毛細性質為基礎,研究了不同鹽溶液在不同成分試塊、不同試驗條件下的毛細遷移性能,現將已有研究試驗方案和結果歸納到表4。

表4 毛細遷移試驗對比Table 4 Comparison of capillary migration tests

張虎元、姜嘯等[27-28]的研究結果顯示:首先,KCl和Na2SO4混合鹽溶液在每種模擬試塊中遷移速率最快,對壁畫的破壞最大;其次,脫鹽澄板土試樣中所有溶液毛細上升速率均大于天然澄板土,這是由于試樣中原有鹽分對溶液的毛細上升有一定阻礙作用。賈全全等[29-30]的試驗結果表明,由于筋物存在,粗泥層試樣毛細上升速率最快,其次為復合試樣,且復合地仗樣品中粗泥層和細泥層界面處對于毛細水的運移有毛細屏障作用,含水率在粗泥層和細泥層界面處發生了突變。當有較高的非飽和導水率存在時,鹽分會在界面處富集。且對鹽水遷移前后的試塊進行了SEM試驗,發現了試驗前的土壤結構相當密實,但鹽水遷移后的土壤結構變得疏松和多孔,進一步證明實了2.1部分的成因分析中,水鹽運移會導致壁畫酥堿的結論。閆玲[31]通過模擬試驗得出氯離子的遷移速率大于硫酸根離子,以此為依據推測莫高窟53窟壁畫地仗層在0～200 cm高度范圍內NaCl、Na2SO4的富集主要是由于毛細水輸鹽造成,且在此高度Na2SO4的含量遠超NaCl,是酥堿病害發生的主要部位,即Na2SO4是酥堿病害產生的主要原因,與郭宏等[9]的研究結果一致。靳治良等[32]指出在-2～32.4℃的溫度區間,Na2SO4隨著溫度變化在與之呈平衡的固相Na2SO4·10H2O之間發生變化,由于Na2SO4·10H2O的產生不僅能帶出結晶水,還增加了體積,使Na2SO4對壁畫產生的破壞更加嚴重。

通過以上學者的試驗研究及結果分析可以得出,溶液中可溶鹽成分及試塊土樣成分不同均會影響鹽溶液毛細遷移速率。常見陰離子中,氯離子的遷移速率大于硫酸根離子的遷移速率,混合鹽溶液的遷移速率均大于單一鹽溶液的遷移速率,且當鹽溶液在不同地仗層遷移時,鹽分會在不同地仗層的界面產生富集。

1.2.3吸濕/脫濕試驗 Sawdy等[33]研究了不同相對濕度條件下單一鹽類Mg(NO3)2·6H2O和NaCl的潮解和結晶,以及與KNO3、NaNO3、CaSO4混合時對其的影響程度,發現:混合鹽的吸濕速率高于單一鹽分的吸濕速率,混合鹽溶液的平衡濕度和環境相對濕度間的差值越大,混合鹽的吸濕速率相應增加;反之,當混合鹽的相對平衡濕度和環境相對濕度值相差越小時,混合鹽放濕速率越慢,即混合鹽的潮解和結晶取決于外界的相對濕度及混合鹽的組成。Piqué等[34]也研究了歐洲壁畫中常見的Ca(NO3)2·4H2O對水吸附的動力學,發現Ca(NO3)2·4H2O的潮解不僅受到鹽的質量、成分的影響,還受到鹽所在載體的影響,其中以灰泥層、玻璃、鋁為載體,發現鹽分以灰泥層為載體的吸水速率最快,其次為玻璃,最后為鋁,即多孔材料更利于吸附。

國內學者就不同鹽含量、不同載體為變量,研究了其試塊的吸濕和放濕狀況,試驗方案及結果見表5。

表5 吸濕/脫濕試驗對比Table 5 Comparison of moisture absorption/desorption tests

蘇伯民等[35]通過模擬不同含鹽量試塊在高濕和低濕的環境下的吸濕/脫濕性能,發現高含鹽量的地仗會優先吸收空氣中的水分,且含鹽量越大,對空氣中水分吸收越快,持續時間越長。當空氣濕度降低,脫濕時間相對比較恒定,但高含鹽地仗脫濕速度更快。因此,推測在洞窟內濕度發生劇烈變化時,含鹽量較高的壁畫地仗更容易發生酥堿病害。賈全全[29]、閆玲[31]分別研究了在高濕和低濕條件下,不同成分模擬試塊(即成分不同)的吸濕量,均得出模擬試塊的吸濕量隨著試塊澄板土含量的增加而增加。李鳳潔等[36-37]通過對不同類型的脫鹽地仗土在不同相對濕度條件下的吸濕量進行測定,得出黏土量高的地仗試塊吸濕量大;此外,作者還指出當相對濕度>80%的時候,壁畫表面的鹽分與空氣中的水分結合,參與水鹽反應,誘發或加重壁畫酥堿病害的產生。不同地仗層的弱結合水的含水量隨著地仗中土砂比增加而增加,因此,相對濕度為80%可以作為莫高窟地仗層中吸濕量顯著增加的臨界濕度。

無論是從動力學和熱力學理論知識,還是直接模擬不同及相同地仗在不同含鹽量、不同相對濕度條件下吸濕和放濕的研究,發現壁畫產生酥堿病變的主要因素與壁畫地仗材料自身成分,壁畫地仗中所含可溶鹽種類及可溶鹽含量,壁畫地仗所在環境濕度等因素均有一定關系。因此,壁畫酥堿病害產生是在以上多種因素的耦合作用之下,使得壁畫地仗層可溶鹽以毛細水和吸濕放濕為主要方式,產生運移和反復溶解、結晶,最終導致地仗層各成分結構發生破壞,進而產生酥堿脫落現象。

總結壁畫酥堿病害產生原因和機理研究的相關文獻:首先能夠發現地仗樣品中可溶鹽的分析均為采樣分析法,為了避免對文物的破壞,采樣數量的有限性將導致分析結果不夠全面;其次,壁畫的地仗成分、制作工藝及導致壁畫酥堿病害產生的可溶鹽種類和含量因壁畫所在地域的不同而有所差異;再次,模擬試驗中大多采用的是敦煌莫高窟壁畫的土沙比,同樣,這種單一模擬的結果也不具有全面性;最后,關于模擬試驗環境條件參數的設定,研究者們一般選擇一組或兩組溫濕度數據。然而,這一組或兩組數據不能完全代表國內各處壁畫所處的環境條件。因此,在將來關于壁畫酥堿病害成因及機理的研究中,首先應采用無損或微損的分析方法對所研究壁畫支撐體、地仗層以及表層鹽霜進行全面分析,依據當地壁畫的制作材料和工藝制作模擬試塊,結合當地環境中全年的溫濕度總體變化趨勢對其進行模擬試驗,從而得到更符合當地環境下壁畫酥堿病害產生的現象,確定當地壁畫酥堿病害產生的主要影響因素,才能為酥堿壁畫預防和治理給出更科學的措施。

2 壁畫酥堿病害修復材料及工藝研究

通過第1部分對壁畫酥堿病害產生的位置、原因及機理的研究成果總結發現,酥堿病害的產生主要是地仗材料及巖體中所含可溶鹽在環境水參與下發生的共同結果。因此,在關于壁畫酥堿病害修復和治理過程中,應該將以上兩個因素作為重點考慮對象,以上述研究的理論基礎為依據,對已經酥堿的壁畫進行加固及脫鹽處理。

2.1 修復材料研究

2.1.1加固材料 酥堿壁畫加固是治理酥堿病害的前期工作,包含著酥堿壁畫顏料層加固及酥堿地仗的加固——以上兩者是后期對酥堿壁畫脫鹽過程的前期穩定性處理。目前常用加固劑主要分為有機加固劑和無機加固劑(表6)。

表6 加固劑Table 6 Reinforcement agents

有機材料在國外文物保護中的應用較早,在20世紀30年代,歐洲就將聚醋酸乙烯乳液(PVAC)應用于壁畫、塑像藝術品的保護當中,到20世紀50～60年代,PVAC已被廣泛使用于印度、希臘、波蘭等國各個類型的壁畫加固中[38]。在國內的使用則始于20世紀50年代捷克壁畫專家約瑟夫·格拉爾對莫高窟474窟壁畫進行的現場修復[39],隨后聚醋酸乙烯脂乳液、聚乙烯醇乳液、聚乙烯醇縮丁醛、乙基纖維素、聚甲基丙烯酸甲酯等多種高分子材料開始被應用于莫高窟壁畫的加固中[40-43]。在莫高窟60多年保護歷程中經過不斷地篩選和現場應用,逐漸形成了三類五種加固材料——聚醋酸乙烯脂乳液和聚乙烯醇類、有機硅和丙烯酸類、明膠類[44-46],它們被廣泛應用于全國各類壁畫的保護修復中:西藏薩迦寺、新疆和達瑪溝遺址、山西云岡五華洞等多處酥堿壁畫均采用丙烯酸乳液或改性丙烯酸乳液作為加固劑[47-51];陜西省考古研究所與德國專家采用丙烯酸樹脂(B72)對揭取前旬邑東漢墓室壁畫表面進行加固修復[52]等。同時也有部分其他加固材料被采用,例如:莫高窟465窟酥堿地仗的修復中采用甲基纖維素作為加固劑[53];戎巖[54]則根據墓葬壁畫特殊環境的需求,研發出了H3PO4-Ba(OH)2-TEOS加固劑,且在陜西師范大學遺址模擬坑內進行了試驗,發現H3PO4-Ba(OH)2-TEOS加固劑加固試塊后色差改變較小,滲透性及透氣性好,具備一定的耐鹽性特征,隨后作者將H3PO4-Ba(OH)2-TEOS加固劑應用于丁家閘五號墓出現的酥堿等病害的加固和修復中,通過加固劑修復前后對比發現,加固區顏料層、地仗層各自的性能都有所改善;Funori作為一種新提出的加固材料,通過模擬試驗發現其有著較好的光學性能,不易老化,與壁畫的無機支撐體有著很好親和性,加固后的地仗保持了孔隙度,過高的黏度也使得其滲透性較差[55],目前沒有在國內相關壁畫實體上作為加固劑的案例。

多種有機高分子材料作為加固劑的應用,也使得多位學者對其性能和加固效果的評估進行研究。李燕飛等[56]對聚醋酸乙烯酯的物理化學性能進行了表征,且通過該乳液對酥堿壁畫的模擬試塊修復后進行了12個老化循環后,顏料層再次出現了龜裂和皰疹病害,指出聚醋酸乙烯脂乳液在彩繪類文物保護中的應用應慎重選擇。賀翔等[57]從熱脹和濕脹性能方面對用PVAC(聚醋酸乙烯乳液)、PAA(聚丙烯酸乳液)、SMPA(有機硅改性的丙烯酸乳液)、B72(丙烯酸樹脂)、明膠作為加固劑分別對壁畫地仗層、顏料層、白粉層進行加固后的模擬試塊進行分析并發現:在一般的室溫下,熱膨脹對壁畫造成的劣化遠遠小于濕脹;使用PAA和PVAC加固的樣品有著較小的層間膨脹差異,也因此有較小的層間應力;明膠對壁畫顏料層加固效果較好,但是由于明膠黏度大,滲透性較差,不能用于壁畫地仗加固;PAA、PVAC、SMPA、B72四種材料的孔隙率、鹽水吸收量、鹽的富集程度等性能基本一致,但PVAC具有較弱的憎水性,加固后樣品的孔隙率較小,水鹽通透性更強,鹽的分布及應力的分布越均勻,因此樣品耐候性更好。

然而,由于壁畫支撐體和制作材料多為無機材料,因此,采用有機材料進行加固后,加固材料與壁畫本體無機材料的膨脹系數、導熱系數、老化速率等各項性能之間的差異導致應力的產生,致使壁畫本體和加固層之間剝離,對壁畫造成保護性破壞[58]。

無機加固材料常見的有石灰水、納米氫氧化鋇、二磷酸銨等。其中,納米氫氧化鈣在水中的溶解度太小,因此提出使用乙醇或者短鏈醇作為分散劑增加其溶解度,通過對納米氫氧化鈣的碳化程度、孔隙度、硬度、表面黏性等加固效果進行了表征,得出以乙醇為分散劑的納米氫氧化鈣可適用于壁畫的保護[59],同時也提出納米氫氧化鎂、納米氫氧化鋇、納米氫氧化鍶等納米級的堿土金屬氫氧化物均能在壁畫顏料層加固過程中取代壁畫材料在降解過程中失去的粘合劑,且以更兼容的方式對壁畫進行加固[60]。除了以短鏈乙醇為分散劑,納米氫氧化鈣和硅酸乙酯結合使用能夠加固較大空隙或者分層區域,但經加固的材料吸水率和毛細度會降低[61]。國內學者采用納米氫氧化鈣對奉國寺常見的顏料進行實驗室內模擬加固,對以奉國寺壁畫中常見的顏料和奉國寺壁畫制作材料和工藝為依據制作的酥堿試塊進行加固,發現納米氫氧化鈣作為加固劑對其壁畫顏料的色差、透氣性及反應前后礦物顏料顆粒的形貌影響較小;在對酥堿樣塊的加固中發現納米氫氧化鈣與空氣中二氧化碳作用,生成碳酸鈣,能夠實現酥堿壁畫加固效果,增強文物基底的黏結力,同時光散射的影響最小[62]。

從目前研究成果可見,我國壁畫加固劑使用最廣泛的為有機高分子材料,但有機高分子材料中C—C、C—H及C=C等鍵在受外界環境中光、熱、氧的影響均會產生老化[63]。因此,近些年來通過對常用的有機加固材料丙烯酸樹脂進行納米改性、有機硅改性以及光穩定性改性來提高其親水性、滲透性,改善其光敏感性[64]。無機加固材料自身滲透性較差,與文物本體間的黏結作用較弱,加固強度有限,因此,無機材料在文物保護中的應用也有一定的局限性。

通過文獻總結發現,無論是有機加固材料還是無機加固材料都有自身的一些優缺點。因此,在加固材料篩選的過程中不僅要參考加固劑材料的一些物理化學參數,還需要根據材料的修復性質進行評估,同時更應根據所要加固壁畫的制作材料及所處環境,對現有的加固材料進行相關改性及篩選,以滿足不同地區、不同類型壁畫在加固過程中的需求。

2.1.2地仗修補材料 地仗修補主要指在酥堿壁畫修復過程中對酥堿造成的地仗缺失進行填墊泥漿,使壁畫地仗更加平整,為酥堿壁畫的脫鹽提供一個良好的條件,相關地仗修補材料研究見表7。

表7 地仗修補材料Table 7 Materials for plaster restoration

在采用傳統的修復材料對莫高窟地仗進行修復后依舊會產生病害。因此,新材料(甲基纖維素、碳素纖維、澄板土、硅藻土)被提出,但通過實驗室研究,發現新材料制作的試塊在強度、收縮率等性能方面有著一定的優勢,但甲基纖維素的加入使得修補后的地仗色度發生了大的變化[65-66];同時,燒料礓石被作為潮濕環境下地仗加固材料被提出,并從燒料礓石水合凝膠后產物的形貌、成分、抗拉抗壓強度、透氣性、收縮性等性能及對以燒料礓石為主要修復材料制作的試塊的性能進行研究,發現燒料礓石水合產物凝膠有著優良的膠結性能、透氣性、透水性,作為主要的修補材料具有較強的抗壓、抗折性,較小收縮性和較好的耐老化性能[67]。通過對燒料礓石、燒阿嘎土和歐洲水硬石灰NHL5分別與石英砂、粉煤灰做填料的漿液結石體的流動速度、強度、耐鹽堿性、收縮性等物理力學性能對比分析,發現:生石灰和空氣中的二氧化碳、水合作用生成了孔隙率較大、強度較差的碳酸鈣,但碳酸鈣和文物本體兼容性較好,結合性較強;β-C2S和C2AS生成的結石體,其透氣性、透水性均差,但強度較高,這兩種材料的性能剛好互補,能夠形成具有很好透氣性、透水性、兼容性及黏結性的修復膠凝體[68]。其中,將燒料礓石作為主要加固材料用于潮濕的丁家閘5號墓(常年相對濕度在85%以上)的酥堿地仗加固,發現加固后壁畫地仗酥堿狀況得到了明顯改善,且具有一定的透氣透水性,表面干燥,無微小水珠形成[69]。

關于地仗修補材料篩選的報道較少,常用的修補材料有當地土、砂、澄板土、料礓石、麥秸、麻等材料,且由于在修補地仗時為了增加其強度也會在地仗層中加入一定的加固劑,應根據壁畫環境選擇合適的加固材料(2.1.1中已闡述),同時需要根據修補地仗的性能及壁畫環境,篩選合適的修補材料,若采用土作為地仗修補材料,應對其進行脫鹽處理。

2.2 脫鹽材料及工藝

對東千佛洞[70]和莫高窟[71]酥堿病害修復區域調查發現,加固修復后的酥堿壁畫在經歷一段時間后重新產生了酥堿病害。因此,酥堿病害的治理與修復時所使用加固材料種類無關,即現用的各種加固材料都很難阻止酥堿病害的再次發生。結合酥堿病害產生的原因和機理,酥堿病害治理最根本的措施是維持壁畫保存環境中相對濕度的穩定及從壁畫地仗層和支撐體中去除可溶鹽。

壁畫的脫鹽處理包括壁畫表面鹽霜的清理和地仗層的脫鹽。表面鹽霜的清理有機械剔除法、敷貼法、轉換法[72],常用的是剔除法和敷貼法。瑞士圣勞倫斯大教堂壁畫表面鹽霜MgSO4在相對濕度低于80%的時候很穩定,采用手術刀、刷子清除[73]。對于不適合機械剔除的鹽霜或地仗脫鹽多用敷貼法,采用紙漿、去離子水、日本紙為敷貼材料,整個脫鹽工藝為:日本紙(去離子水浸潤)粘附在處理區域→手涂抹紙漿約5 mm(紙漿∶去離子水=1∶5.5)→移除[74]。對于無法用以上傳統方法清除的鹽霜,可將瓊脂作為微生物載體、日本紙作為保護層,利用微生物的還原性清除以KNO3為主的鹽霜,微生物的選擇則根據鹽霜的不同而不同[75]。

無論是對壁畫表層鹽霜的剔除,還是對壁畫表層不易剔除鹽霜以及地仗層鹽霜的脫鹽處理都存在著一定的危險性:剔除鹽霜容易傷到壁畫顏料層;采用KC-X60(Ⅱ)脫鹽墊處理鹽霜容易再次將水分帶到壁畫中,增加壁畫中的含水量;采用紙漿或微生物瓊脂敷貼脫鹽不僅會帶入一定的水分進壁畫,同時若紙漿或微生物清除不當會對壁畫造成保護性破壞。也有學者通過監測壁畫脫鹽區發現在經歷一段時間后該區域含鹽量又達到了治理之前的水平,指出關于壁畫的脫鹽處理僅僅是防止酥堿進一步嚴重的短期措施[74]。D’Agostino通過監測萊切大教堂(意大利南部)壁畫保存室環境,建立三維計算流體動力學模型,通過溫度、相對濕度等參數模型提出適合保護壁畫等文物的微環境[72]。但由于壁畫所含可溶鹽及所處環境的復雜性,也有學者提出通過轉換壁畫墻體底部存在的易溶鹽轉換為溶解性小得多的鹽,如將一些易溶解的硫酸鹽、磷酸鹽或碳酸鹽轉化為難溶的鈣鹽、鋇鹽[80-81],但依舊未見到可行的實施方案。

因此,關于壁畫酥堿病害的修復和預防性保護,只能將對壁畫顏料層、地仗層進行脫鹽和環境控制相結合,以嚴防壁畫酥堿病害的進一步發展,并且堅持對修復后的壁畫進行長時間監測,評估其修復材料和工藝的效果,為后期的保護修復提供數據支撐和經驗借鑒。

3 總結與展望

研究人員通過多年來對壁畫酥堿病害產生原因和機理的探究,提出壁畫的酥堿病害是由于壁畫地仗中可溶鹽在毛細水和外界環境溫濕度變化下反復發生溶解和結晶等作用,導致壁畫地仗層自身成分和結構遭到破壞,使其強度下降,最終造成壁畫地仗層和顏料層破損、脫落的現象。為了能夠更好地保護壁畫,保護人員開始研究酥堿壁畫的加固材料——從有機材料到無機材料,力求做到減少酥堿病害發生的頻率,減輕酥堿病害帶來的破損程度,同時也開始尋找酥堿壁畫地仗較為合適的修補材料。學者們通過研究還指出,除鹽和控制環境水是控制壁畫酥堿病害的主要方式,并且針對已酥堿壁畫的修復給出了一套可行的修復標準和工藝。

本文通過對大量文獻進行梳理,發現雖然各位學者針對壁畫酥堿病害產生的原因、機理、修復方法及預防措施已做了大量的研究工作,但由于研究者在研究過程中所采集的樣品、模擬條件等相關信息的單一性,研究結果也有一定的局限性。由于導致壁畫酥堿病害產生的可溶鹽因壁畫類型和所在區域的不同而不同,應因地制宜,采用無損或微損方法對其進行全面分析;壁畫酥堿病害發生相關環境閾值的確定應結合當地溫濕度環境、根據壁畫的制作材料、制作工藝及地仗中所含可溶鹽的種類進行模擬試驗;酥堿壁畫加固材料各有其優缺點,應根據當地環境對加固材料進行篩;壁畫修補材料則應采用當地土、砂材料對其進行修補,修補前應進行脫鹽處理;脫鹽處理中剔除法、轉換法及敷貼法,均有一定的風險,因此關于壁畫、地仗中鹽分的處理亟待解決。同時,在酥堿壁畫的研究中應將實驗室內的模擬試驗和現場試驗進行結合,并對修復后的酥堿壁畫進行長期監測,以評估修復材料和修復方法的可行性,對壁畫保存環境和病害的發生進行建模,旨在為酥堿壁畫修復材料的選擇、研究和保存環境控制提供更好的數據支撐,為預防性保護提供一定的理論基礎。