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        北京先農(nóng)壇琉璃瓦表面保護(hù)材料的分析及清洗

        2021-12-15 12:35:22黃雪琴周雙林賀宇燊張景陽
        關(guān)鍵詞:琉璃瓦本體老化

        黃雪琴,周雙林,賀宇燊,張景陽

        (1.首都師范大學(xué) 歷史學(xué)院,北京 100048;2.北京大學(xué) 考古文博學(xué)院,北京 100091;3.牛津大學(xué) 考古系,英國(guó) 牛津 OX1 2JD;4.北京古代建筑博物館,北京 100050)

        “先農(nóng)”即“炎帝神農(nóng)氏”,中國(guó)自古以農(nóng)為本,先農(nóng)之祀的制度文化在歷史長(zhǎng)河中積淀,逐步帶有濃厚的政治色彩,中國(guó)古代建筑正是這一積淀的體現(xiàn)載體。位于北京市西城區(qū)的先農(nóng)壇是明清兩代皇帝祭祀先農(nóng)諸神的場(chǎng)所。坐落于此的北京古代建筑博物館以先農(nóng)壇建筑群為展覽主體,為大眾一覽無余地展現(xiàn)了明清時(shí)期皇家祭祀建筑的形制。先農(nóng)壇建筑群始建于明永樂十八年(1420年),營(yíng)建之初是以南京先農(nóng)壇的建筑形制為范本,歷經(jīng)明清幾代帝王,最終至乾隆年間大規(guī)模的修建改造后,整體建筑格局基本確定,不再有大的變化。1900年八國(guó)聯(lián)軍侵華占據(jù)了先農(nóng)壇,壇內(nèi)的陳設(shè)器、祭器等被洗劫一空,建筑慘遭破壞。新中國(guó)成立后采取了系列保護(hù)措施,現(xiàn)存太歲殿院落、神廚建筑群、俱服殿、神倉建筑群、觀耕臺(tái)、先農(nóng)神壇、慶成宮等建筑。

        1 北京先農(nóng)壇琉璃瓦

        琉璃瓦的發(fā)明與使用為中國(guó)古代建筑的發(fā)展添上了濃墨重彩的一筆。將琉璃瓦覆于建筑屋頂之上,琉璃瓦因其高強(qiáng)度的耐水性能備受中國(guó)古代工匠的青睞。其絢麗多彩的身姿使得整個(gè)建筑更添幾分流光溢彩(圖1)。在我國(guó)古代建筑中,琉璃瓦一直是皇權(quán)身份的象征,其顏色和規(guī)格具有一定的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。有學(xué)者提出,明清時(shí)期琉璃瓦在用色方面基本形成了“黃-有黃琉璃的各種剪邊-綠-黑琉璃或者布瓦心的綠剪邊-黑-其他顏色”的規(guī)律[1]。

        先農(nóng)壇建筑群也不例外。先農(nóng)壇建筑群中所使用的琉璃瓦主要有綠琉璃、黑琉璃綠剪邊和割削瓦三類,大部分建筑屋面為黑色綠剪邊,只有俱服殿(皇帝親耕前更衣和休憩的場(chǎng)所)和慶成宮以及部分院墻使用的琉璃瓦為綠色,具體使用情況見表1。北京先農(nóng)壇自辛亥革命爆發(fā)以來,其祭祀功能就不再使用。民國(guó)初期,先農(nóng)壇南壇區(qū)作為公園對(duì)外開放,北壇區(qū)逐步發(fā)展為街區(qū)。1988年中國(guó)古代建筑博物館成立之前,原先農(nóng)壇建筑區(qū)被多個(gè)單位占用,文物本體遭到大面積破壞,鐘樓、鼓樓等建筑甚至蕩然無存。中國(guó)古代建筑博物館成立后,逐步將其收回和修復(fù)。據(jù)資料記載,1994年到2010年間,先農(nóng)壇建筑群都進(jìn)行過不同規(guī)模的修繕[2]。覆于屋面的琉璃瓦由于風(fēng)化作用致使表面的釉層脫落、開裂(圖2),故在表面涂刷了化學(xué)保護(hù)層。然而保護(hù)層在自然因素作用下老化變色,在琉璃瓦釉層形成一層黃色薄膜,不僅影響了視覺效果,更不利于文物的后期保存。因此,對(duì)先農(nóng)壇琉璃瓦表面老化材料進(jìn)行分析,并進(jìn)行清洗實(shí)驗(yàn),可以為先農(nóng)壇琉璃瓦的后期保護(hù)提供一定借鑒。

        圖1 觀耕臺(tái)須彌座琉璃磚

        圖2 俱服殿屋面

        表1 北京先農(nóng)壇建筑群琉璃瓦使用情況統(tǒng)計(jì)表

        續(xù)表1

        2 樣品及分析方法

        2.1 樣品基本情況

        樣品由北京古代建筑博物館提供(圖3),長(zhǎng)、寬均約5 mm,為琉璃瓦的一塊碎片,瓦片本體表面呈翠綠色,斷面呈灰白色,瓦上附著一層魚鱗狀脆質(zhì)薄膜,呈黃色,推測(cè)其為老化后的保護(hù)材料。

        圖3 樣品照片

        2.2 分析方法

        2.2.1 掃描電鏡能譜分析

        掃描電鏡分析的作用是觀察樣品的顯微結(jié)構(gòu),特點(diǎn)是放大倍率高,可以達(dá)到幾萬倍,景深大,不需要平整的樣品。配合能譜可以對(duì)樣品局部進(jìn)行元素分析,確定物質(zhì)的組成元素進(jìn)而推斷成分。將鑲嵌在環(huán)氧樹脂上的樣品粘接在樣品臺(tái)上,使用導(dǎo)電膠將樣品與樣品臺(tái)連接,然后使用掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察。分析使用的儀器為荷蘭FEI公司的FEI Quanta 200 FEG環(huán)境電子掃描顯微鏡。

        2.2.2 紅外光譜分析

        紅外光譜可分析無機(jī)物和有機(jī)物的成分,對(duì)判定物質(zhì)組成有很好的效果,傅立葉變換紅外光譜加一個(gè)顯微鏡就可進(jìn)行顯微紅外光譜分析,在顯微鏡觀察時(shí),可根據(jù)需要選擇樣品不同部分進(jìn)行分析。通過顯微紅外光譜儀對(duì)琉璃瓦的本體部分和瓦片上的老化保護(hù)材料部分進(jìn)行了分析,通過比對(duì)得到兩部分的成分差異。分析使用的儀器為Nicolet公司的Magna-IR 750型傅立葉變換紅外光譜儀。

        2.2.3 X射線衍射分析

        X-射線衍射分析的特點(diǎn)是對(duì)無機(jī)物質(zhì)具有較好的定性分析能力,在采用標(biāo)樣的情況下還可以確定混合物中各種物相的百分比。此處對(duì)琉璃瓦的本體進(jìn)行了分析。分析所用的儀器為日本理學(xué)的DMX-Ⅱ/2000型X-射線衍射儀。

        2.2.4 差熱分析

        差熱分析是在程序控溫下,測(cè)量物質(zhì)和參比物溫度差與溫度或時(shí)間關(guān)系的一種測(cè)試技術(shù)。廣泛應(yīng)用于測(cè)定物質(zhì)在熱反應(yīng)時(shí)的特征溫度及吸收或放出的熱量。分析所用的儀器為美國(guó)Thermal Analysis公司的Q600SDT TGA-DTA-DSC同步測(cè)定儀。

        3 分析結(jié)果

        3.1 掃描電鏡能譜分析結(jié)果

        琉璃瓦的二次電子照片和能譜分析圖分別如圖4、圖5所示。

        圖4 琉璃瓦的二次電子照片

        圖5 琉璃瓦的能譜分析圖

        根據(jù)掃描電鏡的分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)琉璃瓦表面有著比較明顯的三層結(jié)構(gòu)。圖4(b)中最內(nèi)層部分為琉璃瓦的本體,質(zhì)地光滑,有光澤;中間黑色層為琉璃瓦的釉層,質(zhì)地較為光滑;最外層呈較為粗糙的膜狀,可能為老化的表面材料。

        表2是分析區(qū)域1的元素含量表,從其中幾種含量較高的元素情況來看,主要成分可能為硫酸鋇和二氧化硅,結(jié)合分析區(qū)域位置,可能為琉璃瓦本體的外層釉成分。根據(jù)原子含量計(jì)算出硫酸鋇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%左右。圖5(b)是分析區(qū)域2的能譜圖,表3是其元素含量表,可以看出氧、鎂、硅、鋁幾種元素的含量比較高,結(jié)合圖4(e)中將其放大到2 000倍下,發(fā)現(xiàn)呈細(xì)小顆粒狀,可能為涂在琉璃瓦表面保護(hù)材料中的填料。圖5(c)是分析區(qū)域3的能譜圖,其中含量最高的元素為氧、硅、碳,根據(jù)表4的元素含量表推測(cè)可能為有機(jī)硅類化合物所形成的膜。

        表2 分子區(qū)域1的元素含量表

        表3 分析區(qū)域2的元素含量表

        表4 分析區(qū)域3的元素含量表

        3.2 紅外光譜分析結(jié)果

        紅外光分析結(jié)果如圖6所示:下層圖譜是先農(nóng)壇琉璃瓦本體的紅外圖譜,1 026.18 cm-1處為石英的紅外特征峰,說明琉璃瓦的制作材料為石英;而上層圖譜是琉璃瓦表面老化材料的紅外特征峰,圖譜中顯示2 900~3 000 cm-1處有一個(gè)小的凸起,為C-H化學(xué)鍵的伸縮振動(dòng),推測(cè)老化材料中可能含有有機(jī)物。

        圖6 先農(nóng)壇琉璃瓦表面老化保護(hù)材料及其本體的紅外光譜分析

        3.3 X射線衍射分析結(jié)果

        X射線衍射分析結(jié)果見表5、圖7。

        表5 先農(nóng)壇琉璃成分表 %

        圖7 先農(nóng)壇琉璃衍射圖譜

        圖8 琉璃瓦的差熱分析圖譜

        圖9 正硅酸乙酯紅外圖譜(來源于文獻(xiàn)[6])

        X射線衍射結(jié)果顯示,石英含量為61%。與掃描電鏡能譜分析區(qū)域1的結(jié)果吻合。故確定先農(nóng)壇琉璃瓦本體的主要成分為二氧化硅。

        3.4 差熱分析結(jié)果

        琉玻瓦的差熱分析圖譜見圖8。由圖8可知:樣品在249~409 ℃時(shí)有8.7%的質(zhì)量減輕;重晶石的首個(gè)DTA峰值出現(xiàn)在1 100 ℃以上[3],石英的則在570 ℃以上[4];所以該質(zhì)量減輕可能來自表面老化材料中有機(jī)物的分解。

        4 討論

        (1)通過分析可知,琉璃瓦表面的保護(hù)材料中含有有機(jī)物,具體成分還有待商榷。在《北京先農(nóng)壇志》中,記述了觀耕臺(tái)在2010年修繕工程中,對(duì)觀耕臺(tái)須彌座上風(fēng)化酥粉嚴(yán)重的琉璃構(gòu)件使用正硅酸乙酯涂刷做加固處理[5],故而推測(cè)在先前的修繕工程中是否也使用過同種材料對(duì)琉璃瓦予以加固處理,但是與正硅酸乙酯的紅外譜圖(圖9)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩者的紅外特征峰并不吻合。造成這種現(xiàn)象的原因可能有兩個(gè)方面:一是琉璃瓦表面的老化材料量少,加上本體材料的干擾大,無法得出較好的分析結(jié)果;二是先農(nóng)壇修繕明細(xì)資料從1994年北京古建筑博物館成立伊始,才有詳細(xì)記載,琉璃瓦的修繕資料并不詳盡,是否在早期修繕過程中使用過也未可知。加固材料在老化后,造成紅外光譜振動(dòng)峰的遷移現(xiàn)象。

        (2)針對(duì)琉璃瓦表面老化材料的分析結(jié)果,進(jìn)行了初步的清洗實(shí)驗(yàn)。本次清洗實(shí)驗(yàn)主要采用脫漆紙漿貼敷的方式去除表面老化層,發(fā)現(xiàn)具有一定可行性。實(shí)驗(yàn)步驟為:①去離子水清洗瓦面,洗凈浮土;②將整個(gè)琉璃瓦浸泡到去離子水中15 min,使琉璃瓦內(nèi)部浸滿水分;③將脫漆紙漿(天壇琉璃瓦專用)貼附在瓦面污染部分(圖10),用保鮮膜密封防止液體蒸發(fā),放置12 h;④打開保鮮膜,使用濕布擦拭;⑤待表面黃色老化材料擦拭干凈后,再次使用去離子水反復(fù)沖洗(不少于3遍),使用PH試紙測(cè)試,pH值為7時(shí),停止沖洗。清洗效果如圖11所示。

        圖10 使用脫漆紙漿貼敷中

        圖11 清洗前后效果對(duì)比圖

        圖12 俱服殿琉璃瓦表面

        (3)北京先農(nóng)壇建筑群中使用綠色琉璃瓦屋面的只有慶成宮和俱服殿。慶成宮在2003年修繕后未再對(duì)外開放[6],琉璃瓦的保存情況未知。俱服殿現(xiàn)為北京古代建筑博物館的常設(shè)展廳之一,覆于屋面的琉璃瓦可一窺其容(圖12)。從圖12中可以看出,琉璃瓦釉層與表面黃色物質(zhì)有明顯的分層現(xiàn)象,排除俱服殿的屋面琉璃瓦大面積脫釉的情況,很可能為表面老化的加固材料,這有待深入研究。

        5 結(jié)論

        (1)北京先農(nóng)壇琉璃瓦的本體成分主要為二氧化硅。

        (2)琉璃瓦表面的老化材料中可能含有有機(jī)物。琉璃瓦本體和表面老化材料無法分離,干擾大,老化后紅外特征峰值發(fā)生遷移可能是無法確定其成分的主要原因。

        (3)使用脫漆紙漿貼敷的方式對(duì)先農(nóng)壇琉璃瓦表面老化材料有一定的清洗效果。

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