何海平，徐樹(shù)強(qiáng)，王菊琳

(1． 首都博物館，北京 100045； 2． 北京化工大學(xué)材料電化學(xué)過(guò)程與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3． 文物保護(hù)領(lǐng)域科技評(píng)價(jià)研究國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地(北京化工大學(xué))，北京 100029)

0 引 言

首都博物館北廣場(chǎng)東北角矗立的乾隆御制碑由碑帽、碑身、碑座三部分組成，石碑為立方柱形，巖性為漢白玉大理巖，整個(gè)石碑通高約6.7m，重超過(guò)40噸[1]，保存狀況較好。碑座為束腰須彌座，刻有精美的卷草花紋。這個(gè)巨型石碑的文物價(jià)值主要在于滿、漢文刻著乾隆皇帝御制的《帝都篇》《皇都篇》兩首詩(shī)篇，比較生動(dòng)、具體地表達(dá)了乾隆皇帝“在德不在險(xiǎn)”和“居安思?！钡闹螄?guó)思想。乾隆御制碑對(duì)研究北京作為都城的歷史，特別是研究康乾盛世的治國(guó)理念和中華民族多元一體格局確立的因果關(guān)系乃至乾隆皇帝的文學(xué)成就和書(shū)法藝術(shù)都具有重要的史料價(jià)值，是一件重要文物。該碑原立于北京天橋十字路口西北方的“斗姆宮”內(nèi)，1915至1919年間被移至先農(nóng)壇，后因工程需要，碑的各個(gè)部件陸續(xù)被埋到地下，直至2005年才被重新發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)北京古代建筑博物館和首都博物館專家的精心修復(fù)，于2006年5月18日(國(guó)際博物館日)安置于此[2-3]，迄今已有十余年。十余年來(lái)，乾隆御制碑一直被不可移動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)玻璃罩保護(hù)，該玻璃罩高7.65m，東西寬2.9m，南北寬2.8m，玻璃罩每面都開(kāi)有通風(fēng)孔?，F(xiàn)今，玻璃罩東面的玻璃破裂，石碑表面布滿灰塵。由于玻璃罩的阻隔，無(wú)法對(duì)石碑進(jìn)行病害檢測(cè)和維護(hù)，對(duì)石碑的安全和保存極為不利，因此2016年首都博物館啟動(dòng)了乾隆御制碑保護(hù)工程。乾隆御制碑保護(hù)工程首先將原有玻璃罩拆除，然后對(duì)石碑病害進(jìn)行研究并根據(jù)病害情況提出保護(hù)方案，最后經(jīng)過(guò)專家論證后進(jìn)行保護(hù)工作。本工作重點(diǎn)介紹乾隆御制碑的主要病害與保存現(xiàn)狀研究。

1 御制碑表層病害調(diào)研

御制碑表層主要病害分布與病害調(diào)研布點(diǎn)情況見(jiàn)圖1，采用肉眼觀察并用數(shù)碼相機(jī)記錄乾隆御制碑表層病害的照片。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，御制碑未出現(xiàn)嚴(yán)重的脫落與缺損病害。石碑的主要表層病害見(jiàn)圖2，石碑表面污染與變色病害嚴(yán)重，主要為粉塵污染。由B-BZ3可見(jiàn)，由于碑座刻有卷草花紋與多種圖案，石材表面平整度下降，形成很多利于灰塵沉積的區(qū)域，因而碑座的積塵現(xiàn)象更為嚴(yán)重。D-BZ1中間部位為方便進(jìn)行石材物理力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試而將灰塵掃除，周圍部位為未經(jīng)清理的灰塵，通過(guò)清理部位與未清理部位對(duì)比，不難看出積塵病害嚴(yán)重。碑身積塵嚴(yán)重區(qū)域同樣分布于刻有花紋及字跡等不平整處，清理時(shí)應(yīng)給予更多注意?；覊m在石質(zhì)文物表面堆積與富集，不僅會(huì)遮蔽其表面的精美紋飾與造型，影響文物的藝術(shù)價(jià)值與觀瞻性，而且影響了石材的透氣性，容易引發(fā)石材內(nèi)部出現(xiàn)病害。此外，灰塵中可能含有SO3等酸性固體廢棄物，在降雨的作用下形成硫酸，容易造成石材表面出現(xiàn)溶蝕與結(jié)殼病變。石碑部分位置出現(xiàn)溶蝕(B-BS1)、結(jié)殼(D-BZ3)、結(jié)垢(X-BS1)與銹跡變色(X-BZ1)病害，這些病害的面積雖不是很大，但使得被污染部分石材的顏色與石碑本體的顏色差別很大，影響了石碑整體的美觀。此外，石碑表面存在若干淺表性風(fēng)化裂隙(如B-BZ1與B-BS2)。

測(cè)點(diǎn)編號(hào)B-BZ1中“-”之前的B表示方向北，“-”之后的BZ表示構(gòu)件名稱“碑座”， 其他縮寫方式：D-東，N-南，X-西，BS-碑身，以下同。尺寸測(cè)量單位為cm。 圖1 乾隆御制碑測(cè)試布點(diǎn)圖Fig.1 Layout of the test points on the Qianlong imperial monument

圖2 御制碑表層病害Fig.2 Surface diseases of the imperial monument

2 御制碑保存狀況的無(wú)損/微損檢測(cè)

為了確定御制碑風(fēng)化、裂隙發(fā)育程度及御制碑整體的保存狀況，本研究對(duì)石碑不同病害部位進(jìn)行超聲波速、膠帶結(jié)合力測(cè)試，通過(guò)測(cè)試得出石碑風(fēng)化程度、表面裂隙深度等以評(píng)估石碑風(fēng)化與保存狀況。

2．1 風(fēng)化程度檢測(cè)

為了確定御制碑風(fēng)化狀況，繼而為后續(xù)制定石碑修繕?lè)桨柑峁┮罁?jù)，并根據(jù)御制碑病害分布情況，采用ZBL-520型非金屬超聲波檢測(cè)儀以對(duì)測(cè)的方式對(duì)圖1中石碑若干部位進(jìn)行超聲波檢測(cè)。超聲波測(cè)試使用的發(fā)射與接收換能器探頭直徑為3.8cm，發(fā)射電壓500V，采樣周期0.4μs。采用面粉團(tuán)作為被測(cè)石材與換能器間的耦合劑，面粉團(tuán)是由面粉與水按照1∶12的質(zhì)量比混合配制成糊狀半流態(tài)，測(cè)試過(guò)程中確保每個(gè)換能器所用面粉團(tuán)質(zhì)量相同，將面粉團(tuán)制作成與換能器面積大小相同的薄層圓餅狀并黏附于換能器上，然后將換能器按壓于被測(cè)石材表面。與傳統(tǒng)使用的黃油、凡士林等耦合劑相比，采用面粉團(tuán)作為耦合劑的優(yōu)點(diǎn)為，在保證檢測(cè)精度的前提下，測(cè)試后面粉團(tuán)易去除，不會(huì)對(duì)石材表面產(chǎn)生負(fù)面影響[4]。

超聲波法測(cè)試的基本原理是通過(guò)分析超聲波在被測(cè)物體中的傳播特性來(lái)判斷被測(cè)物的物理性質(zhì)。巖石風(fēng)化后，其礦物成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，超聲波速降低，人們通常把測(cè)得的風(fēng)化巖體的波速與新鮮巖石波速比較，通過(guò)風(fēng)化巖石與新鮮巖石波速比Vi/V0反映巖石的整體風(fēng)化程度[5-6]。參考巖土工程勘察規(guī)范GB 50021—2001[7]中風(fēng)化巖石與新鮮巖石波速比Vi/V0與風(fēng)化程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本工作采用的巖石風(fēng)化程度分級(jí)評(píng)價(jià)方法見(jiàn)表1。

表1 石材風(fēng)化程度與波速比對(duì)照表

表1中的風(fēng)化巖石超聲波速Vi通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到；對(duì)于新鮮巖石超聲波速，由于條件限制，未能取得新鮮巖石樣品，故無(wú)法嚴(yán)格測(cè)量新鮮巖石超聲縱波速度，為了能夠進(jìn)行比較，可以借鑒相關(guān)公式計(jì)算出新鮮巖石的縱波波速，縱波波速計(jì)算公式如下[5]：

式中，E為楊氏彈性模量；γ為泊松比；ρ為巖石密度。

乾隆御制碑的材質(zhì)為大理巖，經(jīng)查閱相關(guān)資料得知大理巖的楊氏彈性模量E在9.62～74.827GPa范圍內(nèi)，泊松比γ在0.06～0.35范圍內(nèi)，密度ρ在2600～2800kg/m3范圍內(nèi)。此研究是為了評(píng)估大理巖的風(fēng)化程度，對(duì)于新鮮大理巖，E可取74.827GPa，γ可取0.35，ρ取2600kg/m3，由此可計(jì)算出新鮮大理巖的理論最大縱波波速值V0=6.79km/s，這與馬濤等[8]設(shè)定大理巖的超聲波速數(shù)值相近，可以采用此數(shù)值作為石碑未風(fēng)化前的超聲波速，此處只具有相對(duì)比較意義。

此外，為了輔助說(shuō)明石碑風(fēng)化狀況，參考規(guī)范[9]采用微損的膠帶結(jié)合力測(cè)試條測(cè)試石碑表面測(cè)點(diǎn)的酥粉質(zhì)量(測(cè)試條前后質(zhì)量差)以評(píng)估石碑的表面風(fēng)化情況。膠帶結(jié)合力試驗(yàn)是一種常用的附著力測(cè)試方法，其具體操作方法是將膠帶黏貼于試樣的試驗(yàn)部位上，手指按壓膠帶1min，沿垂直于試樣方向用力迅速撕去膠帶，檢查被試區(qū)域是否有脫落現(xiàn)象，并確定測(cè)試前后膠帶結(jié)合力測(cè)試條質(zhì)量變化。在本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，采用的膠帶結(jié)合力測(cè)試條尺寸為長(zhǎng)3cm，寬2cm。以膠帶測(cè)試條質(zhì)量的增加作為石碑表層風(fēng)化物脫落的定量指標(biāo)，膠帶測(cè)試條質(zhì)量增加越大則石碑表面顆粒附著力越小，石碑表面風(fēng)化越嚴(yán)重。為了提高檢測(cè)精度，并排除石碑表面灰塵等沉積物的影響，在附著力測(cè)試前采用軟毛刷與洗耳球?qū)@些沉積物進(jìn)行適當(dāng)清理，以露出石碑表面為宜。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的石碑超聲波速(Vi)、超聲波速比(Vi/V0)及相對(duì)應(yīng)石碑各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)化程度見(jiàn)表2，石碑各測(cè)點(diǎn)不同風(fēng)化程度所占百分比見(jiàn)圖3。由以上數(shù)據(jù)可知，輕度風(fēng)化占很大比例，其次是孔隙度增加，嚴(yán)重風(fēng)化只占很小的比例，表明乾隆御制碑整體風(fēng)化程度輕微，不存在完全風(fēng)化狀態(tài)。此外，對(duì)于碑座及碑身的超聲波速測(cè)值，南北方向的測(cè)值均普遍大于東西方向的測(cè)值，這可能是由于石碑內(nèi)部存在南北方向的紋理，超聲波垂直紋理通過(guò)時(shí)會(huì)減慢聲波的傳播從而減小超聲波速值[4]，也可能是由于石碑東西方向上受外界因素影響大于南北方向而導(dǎo)致風(fēng)化程度較高。

表2 石碑若干部位超聲波速及風(fēng)化程度

圖3 御制碑不同風(fēng)化程度所占百分比Fig.3 Proportions of different weathering degrees of the imperial monument

膠帶結(jié)合力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。石碑各測(cè)點(diǎn)處由膠帶結(jié)合力測(cè)試條黏下的表面酥粉質(zhì)量范圍為0.6～4.7mg，但由于沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可供參考，無(wú)法從酥粉質(zhì)量定量評(píng)估石碑表面風(fēng)化程度，只能依據(jù)酥粉質(zhì)量的大小比較不同測(cè)試部位的風(fēng)化程度高低。但將石碑各測(cè)點(diǎn)的超聲波速比與酥粉質(zhì)量相關(guān)聯(lián)(圖4)后發(fā)現(xiàn)，二者之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，二者體現(xiàn)出來(lái)的石碑風(fēng)化程度相互吻合。雖然超聲波對(duì)測(cè)法測(cè)試的是石碑整體(包括內(nèi)部與表層)風(fēng)化情況，但對(duì)于漢白玉大理石巖性的乾隆御制碑而言，其巖石結(jié)構(gòu)較為致密，風(fēng)化往往由表層向巖石內(nèi)部逐漸發(fā)展，且風(fēng)化層較淺。石碑超聲波速的衰減與石碑表層風(fēng)化應(yīng)有較大關(guān)系。而膠帶結(jié)合力測(cè)試方法得到的表面酥粉質(zhì)量變化規(guī)律更是印證了這一點(diǎn)。在本研究中，處于輕微風(fēng)化狀態(tài)的石碑測(cè)點(diǎn)，酥粉質(zhì)量較小，而評(píng)估為嚴(yán)重風(fēng)化的X-BS2測(cè)點(diǎn)酥粉質(zhì)量最大。總體來(lái)看，石碑風(fēng)化程度輕微。

表3 膠帶結(jié)合力測(cè)試結(jié)果

圖4 石碑測(cè)點(diǎn)酥粉質(zhì)量與超聲波速比關(guān)聯(lián)圖Fig.4 Relationship between crisp powder quality and ultrasonic velocity ratio of detection points on the imperial monument

2.2 表面裂隙深度檢測(cè)

為了了解御制碑表面裂隙發(fā)育情況，并從安全性角度評(píng)估表面裂隙對(duì)石碑的影響，選取石碑表面較發(fā)育裂隙測(cè)試其深度，以期為后續(xù)修繕工作提供依據(jù)。鑒于巖石類材料與混凝土材料在某些物理力學(xué)性能上的相似性，參考混凝土表面裂縫深度的檢測(cè)方法[10-11]，采用超聲波單面平測(cè)法測(cè)試石碑表面裂隙深度，所采用的測(cè)試儀器與測(cè)試參數(shù)同2.1節(jié)，具體的測(cè)試步驟如下。

1) 不跨縫測(cè)試。將發(fā)射換能器(T)和接收換能器(R)置于裂縫附近同一側(cè)，將換能器T耦合在T位置不動(dòng)，然后將換能器R依次耦合在各測(cè)點(diǎn)R1，R2，…，Rn(n≥3)位置上，且T，R1，R2，R3，…，Rn在同一條直線上，并保證R1，R2，…，Rn相鄰測(cè)點(diǎn)之間的間距相等，本測(cè)試中相鄰測(cè)點(diǎn)間距為50mm。分別讀取各測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)ti(μs)， 繪制“時(shí)—距”圖。由圖可得到l與t的相關(guān)性曲線：l=a+b*ti。其中，l表示測(cè)距；t表示測(cè)距對(duì)應(yīng)的聲時(shí)；a，b為回歸系數(shù)。

圖5 石碑表面裂縫深度測(cè)試布點(diǎn)圖Fig.5 Layout of the test points for crack depth on the monument surface

2) 跨縫測(cè)試。分別將T和R換能器置于以裂縫為對(duì)稱的兩側(cè)，并測(cè)出兩個(gè)換能器的間距l(xiāng)1，l2，…，ln，分別讀取測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)t’1，t’2，…，t’n。

裂縫深度h按式(2)計(jì)算，最后對(duì)多次測(cè)得的h進(jìn)行分析，舍去誤差較大的數(shù)據(jù)，對(duì)保留的數(shù)據(jù)取平均值。

由裂隙深度不跨縫檢測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的“時(shí)—距”圖見(jiàn)圖6，跨縫檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖6 不跨縫測(cè)試擬合“時(shí)—距”圖Fig.6 Fitting diagram of “time-distance” without crossing the crack表4 跨縫測(cè)試及裂縫深度數(shù)據(jù)Table 4 Test data crossing the crack and crack depth

裂縫編號(hào)t/μsl/mmh/mmLF1-152.810074.19LF1-250.410069.23

根據(jù)式(2)計(jì)算得到的石碑表面裂隙深度見(jiàn)表4，測(cè)試所得裂隙的平均深度約71.71mm，相對(duì)于石碑整體的尺寸1437.00mm，裂隙深度占石碑總體尺寸的4.99%，從目前看這些裂隙對(duì)石碑造成的破壞較小。但為防止其進(jìn)一步向縱深開(kāi)裂，可采取一定的修補(bǔ)加固措施，也可先行監(jiān)測(cè)，暫緩修復(fù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果再擬定修補(bǔ)措施。

2.3 石碑表面顏色變化與顯微形貌

為了確定石碑表面病害、污染對(duì)石碑顏色的影響及了解石碑表面微觀形貌，采用JZ-300型便攜式色差計(jì)測(cè)試石碑各測(cè)點(diǎn)的色度數(shù)據(jù)L*、a*、b*值并記錄，應(yīng)用CIE1976色差公式及其表色系統(tǒng)CIELab測(cè)量物體顏色的色空間，兩種顏色的色差△E*是它們?cè)贑IE1976(L*，a*，b*)色空間中兩位置的幾何距離，由式(3)計(jì)算：

(3)

注： 表中“無(wú)典型病害”是指該部位未出現(xiàn)結(jié)殼、結(jié)垢、溶蝕、臟污、銹跡等表面污染病害。

石碑表面典型病害處的顯微形態(tài)見(jiàn)圖7。石碑表面不同病害部位均存在一定的淺層風(fēng)化層， 風(fēng)化層內(nèi)出現(xiàn)不同程度的風(fēng)化顆粒形態(tài)， 有的風(fēng)化顆粒尚未脫落(B-BS2)， 有的風(fēng)化顆粒則大部分脫落(B-BS1)， 風(fēng)化程度不一。但風(fēng)化層之下的石材結(jié)構(gòu)仍較為致密， 表明石碑表面風(fēng)化程度輕微。此外， 通過(guò)顯微形貌觀察可以清晰地看出石碑結(jié)殼(D-BZ3)、 結(jié)垢(X-BS1)、 銹跡(X-BS2)與臟污(X-BS3)部位發(fā)生的變色現(xiàn)象， 有效地印證了采用測(cè)試石碑色度數(shù)據(jù)而得出的石碑表面病害、 污染改變石碑顏色的結(jié)論。

圖7 石碑不同病害處的顯微形貌Fig.7 Micro morphology of different diseases on the weathered stone

3 結(jié) 論

采用數(shù)碼相機(jī)、非金屬超聲波檢測(cè)儀、膠帶結(jié)合力測(cè)試條、便攜式色差計(jì)、便攜式視頻顯微鏡等對(duì)首都博物館乾隆御制碑部分病害及保存狀況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)、無(wú)損/微損檢測(cè)與評(píng)估。用超聲波平測(cè)法可測(cè)量石碑表面裂隙發(fā)育深度，并對(duì)發(fā)育較深、寬度較窄的難以用常規(guī)丈量工具測(cè)試的裂隙深度有較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。用超聲波對(duì)測(cè)法可評(píng)估石碑的整體風(fēng)化程度，用膠帶結(jié)合力測(cè)試法可對(duì)石碑表面風(fēng)化程度進(jìn)行評(píng)估，二者結(jié)合使用能更準(zhǔn)確地評(píng)估出石碑不同部位的風(fēng)化程度，并得到相互印證的效果。用便攜式色差計(jì)可方便、快捷、準(zhǔn)確地采集石碑色度數(shù)據(jù)，定量地評(píng)估石碑的顏色變化。通過(guò)觀察便攜式視頻顯微鏡對(duì)石碑表面的放大圖，可直觀、清晰地看出石碑表面石材的顯微結(jié)構(gòu)、風(fēng)化形態(tài)等。

經(jīng)多種現(xiàn)場(chǎng)、無(wú)損/微損檢測(cè)方法評(píng)估后得出，乾隆御制碑整體保存較完整，未出現(xiàn)嚴(yán)重的脫落與缺損現(xiàn)象。石碑表面污染與變色病害嚴(yán)重，主要為粉塵污染，且碑座的粉塵污染現(xiàn)象較碑身嚴(yán)重，粉塵主要分布于刻有花紋及字跡等不平整處，清理時(shí)應(yīng)給予更多注意。部分位置存在輕微結(jié)垢、結(jié)殼、溶蝕與銹跡污染病害，使得被污染處石材的顏色與石碑本體的顏色差別很大，影響了石碑整體的美觀，應(yīng)予以清除。石碑整體風(fēng)化程度輕微，表面裂隙發(fā)育輕微，但為防止裂隙與風(fēng)化進(jìn)一步加深，可采取一定的修補(bǔ)、加固、封護(hù)措施并進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。