溫度循環下壁畫地仗層與支撐體接觸面力學性能

摘 要：為探究溫度循環對壁畫地仗層與支撐體接觸面力學性能的影響，對天津明代壁畫殘塊進行成分及配比分析以制作壁畫地仗層與支撐體接觸面試樣，通過溫度循環、單軸拉伸試驗與直接剪切試驗分析壁畫地仗層與支撐體接觸面的抗拉強度和抗剪強度的變化規律，揭示壁畫地仗層與支撐體接觸面的力學損傷機理。結果表明：隨著溫度循環次數的增加，壁畫地仗層與支撐體接觸面試樣損傷逐漸惡化，尤其是接觸面處裂隙發育嚴重；壁畫地仗層與支撐體接觸面試樣的抗拉及抗剪強度隨著溫度循環逐漸下降，循環30次后抗拉及抗剪強度明顯降低；壁畫地仗層與支撐體接觸面試樣強度的損失主要集中于循環的前30次，此后溫度對接觸面試樣的抗剪強度影響逐漸減小。研究成果不僅證實了溫度循環是造成壁畫內部空鼓和脫落等病害的原因之一，也為壁畫保護工作提供一定參考。

關鍵詞：壁畫；力學性能；溫度循環；接觸面；破壞機理

中圖分類號：TU 08""""" 文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2025）01-0153-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0114

Mechanical properties of contact surface between mural

base and support under temperature cycles

QIN Like ZHOU Xiaocheng KONG Deyi³， ZHEN Gang⁴，TAN Kexin⁴，GUO Bin^1，2

（1.College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Geotechnical Relics and Heritage Conservation Institute，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

3.Ningxia Cultural Relics Preservation Center，Yinchuan 750001，China；

4.Shaanxi Institute for the Preservation of Cultural Heritage，Xi’an 710075，China）

Abstract：

To explore the influence of temperature cycles on the mechanical properties of contact surface between mural base and support，the composition of the attachments for Tianjin Ming murals was analyzed as well as their average proportion.The temperature cycle，uniaxial tensile test and direct shear test was adopted to examine the contact surface of tensile strength and shear strength change rule，with the contact surface of mechanical damage mechanism revealed.The results show that，with the increase of temperature cycles，the damage of the samples of the base and the support gradually deteriorated，especially the cracks at the contact surface；the tensile and shear strength of the samples of the contact surface of the base and the support gradually decreased with the temperature cycle，and the tensile and shear strength of the contact surface decreased significantly after 30 cycles；the loss of the contact surface sample strength was mainly concentrated in the first 30 times of the cycle，and the influence of temperature on the shear strength of the contact surface samples gradually decreases.

The research" confirms that the temperature cycle is one of the causes for the void and shedding of the mural，which provides some reference for the protection of the mural.

Key words：mural；mechanical properties；temperature cycle；contact surface；failure mechanism

0 引 言

壁畫是一種特殊的繪畫方式，分為建筑壁畫、石窟壁畫和墓葬壁畫3種^[1]，在眾多文化遺產中占有十分重要的地位，有較高的文化藝術價值。建筑壁畫由最內層的支撐體、中間的地仗以及最外層的有色顏料涂層組成，支撐體與地仗層間的接觸面直接影響著壁畫的穩定^[2-3]。

受自然環境的長期影響，壁畫地仗層和支撐體接觸面的力學性能發生退化，造成地仗空鼓、整體壁畫脫落等病害^[3-5]。已有研究表明，溫度變化對接觸面的力學性能具有顯著的影響，曹海瑩等分析了不同土體間的接觸面的力學性能，闡釋了不同土體的接觸面屬于薄弱區域，更易受到環境溫度反復循環的影響^[6]；趙羚子研究了雙層土層間接觸面變形及力學特性，得出了雙層土在不同環境因素下的剪切變形規律并指出了隨著溫度波動宏觀接觸面剪切強度會降低^[7]；YAVARI等研究了溫度變化下黏土與混凝土之間接觸面的力學性能等，認為黏土-砂土接觸面的剪應力表現為硬化性，而黏土-混凝土接觸面的剪應力表現為軟化性，并指出溫度循環會使接觸面的抗剪強度降低^[8]；此外國內外學者通過試驗對不同介質間接觸面的力學性能進行研究，證實了不同介質間接觸面在其材料中相對薄弱^[9-14]；并揭示了不同介質破壞時的裂紋擴展機理^[15-17];大量學者利用溫度循環方法對不同介質間接觸面力學性能進行分析，均發現溫度循環會使材料及不同介質間接觸面的力學性能降低^[18-23]。

雖然許多學者已經認識到溫度對壁畫支撐體與地仗層間接觸面的影響，是造成壁畫空鼓、脫落的主要因素之一，但相關研究還未完全展開。因此，在對天津明代壁畫結構研究的基礎上，通過單軸拉伸試驗與直接剪切試驗，分析壁畫地仗層與支撐體接觸面在溫度循環下的表觀特征和宏觀力學性能變化規律，探究溫度變化對壁畫地仗層與支撐體接觸面的影響機理，研究結果可以為壁畫文物的保護和修復工作提供科學依據，具有科學和現實意義。

1 材料和方法

1.1 材料分析及試樣制作

天津明代壁畫結構從里向外分別為支撐體、地仗層和顏料層。其中地仗層最內部為支撐體，地仗層分為粗泥層和細泥層，粗泥層直接黏結于支撐體上，厚度約50～80 mm；細泥層抹于粗泥層表面，厚度約8～15 mm，目的是使表面平滑，利于后期繪畫，最外部為顏料層^[24-26]（圖1）。

在壁畫脫落位置的下部進行殘塊取樣，包括粗泥層及支撐體，為探明現場樣品的實際組成成分，取大小為4 mm×6 mm×8 mm的試樣，采用掃描電子顯微鏡ZEISS EVO 25對樣品進行觀察。經觀察，支撐體及粗泥層由黏土、細砂和植物纖維組成，樣品中植物纖維的表皮組織、基本薄壁組織及維管束明顯，通過比對法對纖維種類進行鑒定，確定支撐體及粗泥樣品中的纖維均為麥稈（圖2）。

通過懸浮沉淀法確定土、砂等的質量百分比，即先向清水中加入少量試樣，剔除上浮纖維后，將分離出的土體放入具塞試管離心。由于土砂沉淀速度不同，較細的黏土會懸浮于上層，較粗的砂會沉淀于試管下層，通過靜置沉淀倒出懸浮黏土，加入清水重復操作，直至上層液體澄清，最后烘干得到各組分質量及占比（表1）。根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）關于對烘干法的誤差要求，各質量間誤差需滿足式（1）。

m土+m纖+m0m0≤2%

（1）

式中

m0為容器重量，g；m土為剩余土體的重量，g；m纖為分離出的纖維的重量，g。

根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）采用直徑61.8 mm、高度20 mm的環刀模具按照順序制作接觸面試樣。首先按得到的組分比例分別配好地仗層和支撐體的混合料，將支撐體混合料加適量水拌和均勻裝入環刀中，在常溫下干燥得到支撐體試樣，隨后再對支撐體試樣表面刮毛并噴水潤濕，后將另一個環刀疊放在支撐體試樣環刀上方，使用金屬卡箍固定，將拌和好的地仗層混合料壓抹于支撐體上部，完全烘干即可得到總高40 mm的完全干燥試樣（圖3）。

1.2 試驗方案

對試樣進行不同次數的溫度循環試驗后，再通過單軸拉伸試驗與直剪試驗分析壁畫地仗層與支撐體接觸面的力學性能。

該壁畫位于天津，全年氣溫通常在-10～37 ℃，考慮極端環境，設置最低溫度-20 ℃，最高溫度40 ℃。儀器采用HWS-80變溫試驗箱，制冷劑采用R134a，升降溫速率設置為10 ℃/min。初始溫度設置為-20 ℃，低溫階段持續12 h后緩慢提升至40 ℃，持續12 h，即完成一次循環。循環次數分別設置為0，10，20，30，40次。

單軸拉伸試驗采用WEW-B微機屏顯液壓萬能試驗機，加載過程采用位移控制形式，位移速率設置為0.1 mm/min，對不同循環次數下的樣品分別進行5次平行試驗，計算結果取平均值。

采用直接剪切試驗取得接觸面的抗剪強度，使用ZJ-4A型應變控制式直剪儀，將剪切盒分別與支撐體與地仗層部分對齊，確保接觸面為剪切面。

剪切速率為0.8 mm/min，法向應力設置為100，200 kPa和300 kPa這3組（圖4）。

2 結果和討論

2.1 接觸面的破壞形態

經過溫度循環后，壁畫地仗層與支撐體接觸面試樣均發生開裂，隨著循環次數的增加，試樣的裂隙也越多。通過對試樣的開裂情況進行觀察，對各組試樣的開裂特征進行整理，發現溫度循環后試樣的開裂主要出現在接觸面附近和試樣的地仗層部分（表2）。

溫度循環下開裂集中在接觸面附近，主要由于地仗層和支撐體組成材料配比不同，其熱膨脹系數不同，在溫度變化條件下，兩者發生形變差，從而導致接觸面出現開裂。

溫度循環下地仗層開裂較多而支撐體相對較少，這主要和材料內部的孔隙結構相關。采用HiroxKH-7700型超景深三維視頻顯微鏡對原始試樣內部進行觀察，在植物纖維附近存在較大的孔隙，當材料受熱時，孔隙周圍溫度分布不均且應力集中，容易發生開裂。由于地仗層中植物纖維含量高于支撐體，大孔隙較多，更易發生開裂（圖5）。

在正常狀態下壁畫環境溫度波動速率小于本試驗中的溫度設定，但隨著溫度循環次數的增加，這種影響也會增大，最終將使壁畫產生病害。

2.2 接觸面的抗拉強度

接觸面抗拉強度受溫度循環作用影響較大，整體隨著溫度循環次數的增加而降低。接觸面的抗拉強度在溫度循環0～10次差值最大，下降最快；10次循環后，抗拉強度下降變緩；30次循環后，抗拉強度基本穩定（表3）。

在循環30次前后，接觸面的抗拉強度變化不大，在循環30次后，抗拉強度沒有繼續下降，說明試樣接觸面的抗拉強度在經過30次溫度循環作用后基本不變。從強度平均值來看，溫度循環30次后地仗層與支撐體2部分粘接性能相較于未循環試樣明顯降低；溫度循環40次后，抗拉強度平均值從168.67 kPa降低到79.37 kPa，降低了89.3 kPa，與未循環試樣相比降低了約53%（圖6）。

未經過溫度循環的試樣在單軸拉伸時于接觸面處斷開，支撐體上的地仗層附著物已用紅線標出（圖7）。可以看出支撐體破壞面上附著的地仗層附著物基本分布于試樣接觸面的邊緣處。

經過溫度循環后的試樣在單軸拉伸時也于接觸面處斷開，支撐體上的地仗層附著物基本分布在接觸面邊緣處。與未循環試樣接觸面的破壞形態不同，溫度循環會使試樣靠近接觸面的地仗層部分出現裂隙，說明地仗層相較于支撐體更容易發生破壞（圖8）。

接觸面的破壞形態表明接觸面中間部分粘結良好，破壞時靠近接觸面的地仗層部分會發生斷裂，同時支撐體上會附著一定面積的地仗層附著物。通過破壞時支撐體上附著物的面積占比可以分析各組試樣的力學性能。隨著溫度循環次數的增加，附著物占比逐漸減少，說明試樣的抗拉性能逐漸降低（表4）。

2.3 接觸面的抗剪強度

從接觸面的剪應力-剪切位移曲線來看，試樣均表現出應變軟化，對比不同循環次數下的剪應力-剪切位移曲線可以看出溫度對試樣的抗剪強度、峰值剪應力以及殘余剪應力的影響較大。未循環試樣在法向應力為100，200，300 kPa時的抗剪強度分別為80.49，111.19，143.41 kPa；而循環40次后的試樣，抗剪強度則為59.59，78.66，99.41 kPa，分別下降了20.90，32.53，44.00 kPa，說明所施加的法向應力與接觸面的抗剪強度下降幅度成正比（圖9）。

接觸面的抗剪強度隨循環的增加而降低，且可分為3個不同階段，即循環0～10次的第1階段、循環10～30次的第2階段以及循環30～40次的第3階段（圖10）。

階段1內的試樣抗剪強度下降的速率最快，法向應力分別為100，200，300 kPa時的試樣抗剪強度分別下降了12.31，18.96，27.38 kPa。階段2中試樣的抗剪強度下降速率較階段1明顯減小，屬于緩慢下降階段，整體下降幅度約在10 kPa左右。階段3的抗剪強度下降速率更小，整體趨于穩定，該階段的試樣雖然表觀損傷較為嚴重，但抗剪強度已趨于穩定。說明接觸面內部損傷主要集中于前兩階段，隨后溫度變化對試樣的抗剪強度影響較小。

采用Mohr-Coulomb強度準則，對經歷反復溫度循環作用后的地仗層與支撐體接觸面試樣的黏聚力、內摩擦角強度指標分別進行分析。Mohr-Coulomb強度準則計算公式為

τf=c+σntanφ

（2）

式中 τf為地仗層與支撐體接觸面的剪切強度，kPa；c為接觸面的黏聚力，kPa；σn為接觸面所承受的法向應力，kPa；φ為接觸面的內摩擦角，（°）。

通過計算不同溫度循環次數下接觸面抗剪強度參數，可得出黏聚力及內摩擦角均隨著溫度循環次數的增加而減小。溫度循環30次后試樣黏聚力和內摩擦角相較于未循環試樣分別下降了24.8%和30.1%，隨后黏聚力和內摩擦角的數值趨于穩定。可見，溫度循環對接觸面黏聚力與內摩擦角的影響主要集中于前30次，溫度循環作用對接觸面試樣的抗剪強度參數也有較大影響，也說明了溫度循環會降低接觸面的抗剪強度（表5）。

3 結 論

1）溫度循環下裂紋主要出現在壁畫支撐體接觸面附近，裂紋個數隨溫度循環次數的增加而增加。開裂主要由地仗層和支撐體的組成材料配比不同，其熱膨脹系數不同引起的。

2）隨著溫度循環次數增加，壁畫地仗層與支撐體接觸面抗拉強度和抗剪強度逐漸降低，經過溫度循環30次后，接觸面的抗拉及抗剪強度均明顯降低，隨后溫度變化對接觸面的抗拉及抗剪強度影響較小。

3）溫度循環是造成壁畫空鼓和脫落的主要因素，嚴重影響了壁畫的穩定性。為減少溫度變化對壁畫造成的不良影響，建議可在支撐體外側增加保溫層以減少溫度變化對壁畫穩定性的影響。

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（責任編輯：李克永）