1、巴中南龛石窟风化破坏原因及防风化加固保护四川文物 2005 年第 3 期巴中南龛石窟风化破坏原因及防风化加固保护巴中南龛石窟风化破坏原因及防风化加固保护谢振斌(四川省文物考古研究院)摘要:石材风化是危害影响石质文物的主要病害之一 ,针对巴中南龛石窟的风化特征及风化程度,探讨引起南龛石窟风化的各种因素,选用以甲氧基硅烷为主剂的防风化材料兼用多种施工工艺进行防风化加固处理,采用回弹值一回归方程(经验公式),卡斯腾管等方法检测防风化材料的实际使用效果.关键词:巴中;南龛石窟;防风化加固中图分类号:K854.3 文献标识码:A 文章编号:1o03 6962(2005)03008205一,前言巴中南龛石
2、窟位于巴中市城南 1 公里的南龛坡上,始创于梁魏,续镌于隋代,后经唐宋大量增刻.现有龛窟 170 余龛,造像 24OO 余尊,是巴中石窟中造像集中,规模最大,保存最好的一处.南龛造像艺术风格和时代特征鲜明,色泽鲜丽古朴,姿态各异,栩栩如生.其宗教价值,历史意义,文化价值及艺术价值在我国石窟史上占有重要地位,1989 年被国务院公布为全国重点文物保护单位.但由于石窟长年受雨水冲蚀,空气污染,风化营力等多种因素的作用,加之年久失修,石窟寺出现危岩崩塌,雕刻风化等病害,这些病害不仅严重破坏了石刻的文物价值,而且严重威胁到文物的安全,为此,1999 年国家文物局拨专项资金对南龛石窟进行抢救性保护.因工
3、作需要我参加了石窟寺的防风化保护工程,现对南龛石窟的风化原因和防风化保护做一个浅略的介绍.二,南龛石窟风化破坏原因1,南龛石窟砂岩的内部结构特征是石刻风化的内在因素.南龛石窟刻凿于青灰色厚层状细粒钙泥云母长石石英砂岩之中,岩石矿物组成为:石英约占43%,钠长石占 23%,钾长石占 12%,绿泥石1O%,水云母 10%,高岭土 2%.岩石孔隙率为15.50%一 16.12%,吸水率为 4.7O%,这种岩石的特征是孔隙率较大,泥质胶结物含量较高,容易受雨水侵蚀;岩石各组成成份的热胀冷缩系数不一样1( 砂岩各组成成份的热胀冷缩系数见表一),这些结构特征决定它抗风化能力差的弱点.表一砂岩中的主要矿物组
4、成不同晶轴方向的热膨胀系数热膨胀系数 aXl06/) 晶体名称与 C 轴垂直方向与 C 轴平行方向sio2(石英)149NaA1SiOs(钠长石)4l3A12038.39.03A1203.2SIO24.55.7no52.6l1.5Ti026.88.3cc03(方解石)一 6252,水对石窟造像的风化破坏作用.南龛石窟长年受大气降雨所产生坡顶流水,崖体渗水,空气中的冷凝水和地表上升毛细水的作用,特别是在氧气和二氧化碳的促进下,逐步使石质中的胶结物(钙质,泥质等)溶蚀并使主要矿物一长石蚀变成松散的粘土矿物,岩石变得酥松,形成粉状风化,酥碱剥离等病害.我们对南龛石窟的新鲜岩石和风化岩石表面的白色粉状
5、风化产物进行了化学成份分析(测试数据见表二四川文物 2005 年第 3 期巴中南龛石窟风化破坏原因及防风化加固保护表二南龛新鲜岩石与粉状风化产物主要化学成份表项目取样点 Si02J2030 水合阳离水合阴离样品 03Mg0Ca0Na20 子化合物子化合物 K20Ti02 烧失重白色粉状风 116 龛门力化产物士 39.787.231.256.5O6.3O2.2O9.44l1.420.97O.3238.70石窟外围新鲜岩石 68.印 12.792.341.596.792.443.180.141.23O.3o4.68 深层岩样注释:P205,Mn02 的含量在表中省略 .从表中数据可以看出:风化产
6、物中 siO2,Al203,FeO,Fe203,K2O 的含量比新鲜岩石大大减少,而水化合物的含量明显增大,这表明在水的作用下,部分长石类矿物分解破坏或形成含水化合物较多的高岭石,水云母类粘土矿物_2J.3,大气污染引起石刻风化破坏.工艺生产所排放到空气中的大量的二氧化硫,二氧化碳,氮氧化合物在太阳紫外线及粉尘颗粒的催化作用下变成三氧化硫和二氧化氮.三氧化硫和二氧化氮与空气中的水相遇又变成酸,这些酸沉降到砂岩造像表面后与岩石中的碳酸盐类矿物发生反应,使岩石变得疏松多孔,更易被水冲蚀或被风刮落.经我院石质保护工作者对大足宝顶摩崖造像和北山摩崖造像的风化速率与大气中二氧化硫含量的关系进行的研究和模
7、拟实验,得出结论:各种不同造像砂岩的风化速率与所处的大气环境中的二氧化硫的含量成正比,即大气环境中二氧化硫的含量越高,造像的风化速率越大,反之则越少_3j.4,温度变化导致石刻表面碎裂或片状龟裂.因砂岩的各组成成分的热膨胀系数不一样,温度变化或周期性温差变化引起石质内外和不同方向的膨胀和收缩的不均匀,最终造成石质雕刻表层碎裂和片状龟裂.5,可溶盐的溶解与结晶交替变化导致石刻酥碱和风化剥蚀.随地下毛细水,崖壁渗水,坡顶地表流水进入岩石孔隙的可溶盐及岩石本身所含的可溶盐在壁面潮湿时,它们溶于水,当壁面干燥时,它们又会向干燥的岩石表面移动并在表层析出结晶,这些可溶盐析出时晶体体积膨胀.周期性的温度变
8、化和相对湿度的波动,即干湿循环周期变化造成可溶盐的溶解和析出交替变化导致石刻风化剥蚀和酥碱.6,微生物的破坏作用.南龛石窟长期处于相对温湿的环境条件下,利于微生物的滋长.石窟区多处造像长满苔藓和细菌,这些微生物分泌出来的生物酸和酶能腐蚀石刻造成石质表面风化和腐蚀.7,风和风砂引起石刻剥蚀脱落.南龛石窟地处巴中城南山坡上,面对北风.秋冬季节,风力易将砂岩表层已酥碱疏松的颗粒侵蚀剥落,暴露出新的岩层,使风化作用向岩体内层加速发展.引起南龛石窟风化的各种因素不是孤立起作用的,它们以水为媒介相互促进,共同发挥其破坏作用,最终导致石刻酥碱,粉化,龟裂,碎裂等风化病害.风化严重者已面目全非.表三喷涂 bt
9、IDSP 后南龛砂岩重量变化情况及环境相对湿度测量表,处理时间项目处理后 5 天处理后 1 周处理后 2 周处理后 3 周处理后 5 周处理后 7 周处理后lO 周MIOSP 处理石样重(克)74.353574.384774.268674.335l74.360o74.350574.3588重量变化率(%)O.O42 一 O.156O.O9oO.o33 一 o.o13O.Oll空白石样重(克)57.206057.226857.143457.187757.207557.202357.21l8重量变化率(%)O.03l6 一 o.147O.078O.035 一 O.0o9o.o16环境相对湿度(%)
10、788980926579708278937385679283四川文物 2005 年第 3 期巴中南龛石窟风化破坏原因及防风化加固保护三,防风化保护材料的性能及相关实验以甲氧基硅烷为主剂的防风化材料(下文简称:MTOSP)是我所石质文物保护专家针对砂岩风化病害研制的一种保护材料,它特别适合表面酥碱,粉化,鳞状龟裂等风化病害的保护,并在大足宝顶,北山等多处石窟寺的防风化保护工程中应用,都取得良好效果.它具有以下性能特点:1,MTOSP 材料具有良好的渗透性,能最大限度地渗透到风化石材的里层,达到加固风化砂岩的目的,并且对石材的透气性没有太大改变.由于 MTOSP 材料是有机硅氧烷的初聚体,聚合度一
11、般在三至六之间,分子量较小,材料的渗透性比其它高分子化合物好.另外,MTOSP 材料的中心原子(硅原子) 与砂岩的主要矿物(石英)的中心原子相同,类似“相似相溶“ 的原理,MTOSP 比别的非硅类有机聚合物更容易被砂岩吸收.我们曾对南龛砂岩喷涂 MTOSP 后岩石重量变化情况进行实验.在南龛附近取二块风化砂岩,一块喷涂 MTOSP 材料,让岩体吸饱但不能让材料残余石样表面,另一块留做空白实验.不定期称量石样的重量并测定环境的相对湿度(实验数据见表三).从实验所测数据可以看到:经 MTOSP 处理的石样与空白石样的重量随环境相对湿度的变化而波动但两者的重量变化率相差不大,这说明喷涂 MTOSP
12、材料后砂岩的透气性没有太大改变.2,MTOSP 材料被风化石材吸收后,通过砂岩毛细孔吸收空气中的水蒸气并与之发生反应,起到加固风化石刻的作用.因喷涂 MTOSP 材料后砂石仍有较好的透气性,通过毛细孔进来的水蒸气能继续与 MTOSP中的甲氧基反应,生成羟基,而生成的羟基又能与别的分子中的甲氧基发生聚合反应生成分子量更大的硅氧烷.同时,MTOSP 中的甲氧基和羟基也与矿物颗粒的羟基发生反应生成高分子聚合物,使风化石刻的表面强度增大(测试数据见表五).3,石刻用 MTOSP 防风化处理后,其表面具有较强的憎水性,阻止雨水继续侵蚀石刻.因 MTOSP 材料中的活性亲水基团甲氧基和84表四四组石样的吸
13、水率实验数据表样品样品处理 3 个月浸水 24 小吸水名称来源处理方法后样品稳定时后样品蛊重量(克 )重(克)巴中空白不做样品 1291.6588305.36644.7O%南龛处理巴中 25%的 MI10 样品 2514.82o7520.8o571.16%南龛 sP 处理7.8%的聚巴中甲基丙烯样品 3353.5Ol5360.76152.05%南龛酸酯氯仿液处理巴中 5o%的样品 4428.7272434.66831.39%南龛 A 处理羟基与砂岩颗粒中的羟基反应,使亲水基和亲水原子面向岩石里面,而惰性憎水基团甲基形成憎水保护层展开在石刻表面,类似“油包水“ 的形式,使石刻表面具有较好的憎水性
14、.我们对MTOSP 和其它二种材料的憎水性进行对比实验:实验化学试剂选用 25%的 MTOSP 溶液,7.8%的聚甲基丙烯酸酯氯仿液和 50%的 HYA 防水剂.从南龛石窟区取四块风化石样分成四组.第一组不做任何处理,留做空白实验;第二组用 25%的MTOSP 溶液涂刷,每次间隔十分钟直至石样吸收饱和但又不残余表面为止;第三组用 7.8%的聚甲基丙烯酸酯氯仿液处理,方法与第二组相同;第四组用 50%的 A 防水剂涂刷四遍.在室温条件下将样品放置三个月,称量四组石样重量,然后将它们浸泡于蒸馏水中.24 小时后,用吸水纸吸去石样表面残留水珠,称量浸水后石样的重量,计算各种材料处理后的石样的吸水率(
15、实验数据见表四), 比较它们的憎水性能.从表四测量数据看出,未作处理的空白样品的吸水率为 4.70%,而用 25%的 MTOSP 处理过的第二组样品的吸水率比用 7.8%聚甲基丙烯酸酯氯仿液处理的第三组样品和 50%HYA 防水剂处理的第四组样品的吸水率都低,这证明MTOSP 材料具有良好的憎水性能.4,MTOSP 材料耐老化性较好,材料老化后主要产物 SiO2 是砂岩的组成成份 ,对石刻无副作用.从南龛石窟选取两组石样,第一组用 25%的 MTOSP 处理,第二组用 8%的聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液处理.三个月后进行破坏实验:将两组石样放在 65aI 二的烘箱中连续烘烤四天 ,然后又将两组石样
16、放在 1%的盐酸和 1%的硫酸混合酸四川文物 2005 年第 3 期巴中南龛石窟风化破坏原因及防风化加固保护中浸泡 7 天,观察石样表面保护层的变化情况并做滴水实验.实验结果表明:第一组石样表面的保护层看不出任何变化,水滴至石样表面后形成明显的圆珠,水珠滚动,石刻表面不留下任何水痕.这证明:经破坏实验后,MTOSP 材料保护层仍然较好,其憎水性没有变化.第二组石样经破坏实验后,表面保护层出现龟裂,起泡现象,在表面保护层已破坏的部位滴水,水滴马上铺开并向周围浸润,这表明聚甲基丙烯酸甲酯保护层已经老化破坏.通过上面的对比实验,我们认为MTOSP 比聚甲基丙烯酸酯类材料具有更好的耐老化性.四,防风化
17、加固保护的具体方法由于南龛造像造型多种多样,石刻风化程度各异,在防风化保护材料确定后,还需根据保护的基本原理,针对保护对象的具体情况,采取相应的保护方法,才能达到最佳保护效果.我们对多种保护方法进行现场对比实验并综合以往的保护经验,最后选用了喷涂法,点涂法,注入法,敷盖等保护方法.1,喷涂法适用于较大面积的石刻部位(如:石刻的胸,背,脸,手臂,腿等部位),要求选用雾化效果好的小型喷雾器,喷距适当,喷雾压力适当,以不要给风化石刻造成太大冲力.喷量以石材吸收饱和但又不在其表面形成流淌为佳,如果保护材料在石刻表面形成挂流,应立即用吸水纸吸去表面残余的材料.2,点涂法适合于较小部位的保护处理.对石刻的
18、眼,鼻,唇,手指,发带等部位的保护采用点涂法较为适宜.要求选用优质软毛刷或小毛笔蘸 MTOSP防风化材料进行点涂,操作过程避免涂刷动作,点涂不能用力过大,否则将损坏石雕风化层.3,注入法适用于已出现酥碱空臌的部位的保护处理.用小号注射器将浓度较大的防风化保护材料注入空臌部位.4,敷盖南龛石窟有些造像的个别部位粉状风化特别严重,如果只采取喷涂或点涂单一的方法进行一次性保护,其效果不太理想.经过现场多次试验总结出:先喷涂或点涂浓度较小的防风化材料使风化层吸收饱和,再用浸有保湿剂和 MTOSP 材料混合物的纱布进行敷盖,48 小时后再喷涂或点涂浓度较大的 MTOSP 材料进行加固处理,其效果较好.五,防风化保护前后石刻表面抗压强度,憎水性,外观色泽等物理性能对比1,风化保护前后石刻表面抗压强度的对比.石刻表面抗压强度采用回弹值一回归方程(经验公式) 曲线法测得 .石刻表面的回弹值采用天津建筑仪器厂生产的 Hr】1-75 型回弹仪,该仪器适用于检测普通烧结砖,轻骨料混凝土及其它轻质材料的表面强度,对文物表面冲击破坏较小.由回弹仪测得回弹值后再用回归方程曲线计算石刻表面的抗压强度.测量数据见表五
