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        古建筑琉璃瓦件的加固保護(hù)研究

        2021-12-24 07:03:28張玲
        工程建設(shè)與設(shè)計 2021年21期
        關(guān)鍵詞:琉璃瓦琉璃試件

        張玲

        (太原市文物考古研究所,太原030009)

        1 引言

        琉璃瓦,作為一種能充分體現(xiàn)古建筑等級的材料,在我國古建筑及園林建筑中有著十分重要的地位[1]。但很多建筑因長期經(jīng)受四季溫差、雨淋暴曬、凍融等自然因素的侵?jǐn)_,以及大氣中有害氣體與諸多因素的腐蝕,造成琉璃胎質(zhì)酥堿、松散,釉層脫落等多種病害。瓦件病害嚴(yán)重時會造成建筑屋面漏雨,直接危害文物的安全。對于瓦件進(jìn)行經(jīng)常保養(yǎng)維護(hù),可延長文物本體壽命,最大限度地保留文物原有的歷史信息,避免病害延伸擴(kuò)大,故瓦件的加固保護(hù)尤為重要[2]。

        本次采用Paraloid B72加固劑對古建筑屋面琉璃瓦件進(jìn)行加固保護(hù),防止琉璃胎質(zhì)酥堿、松散、釉層脫落等現(xiàn)象,探索古建筑琉璃瓦件的加固保護(hù)技術(shù)的路線和方法。

        2 試驗性保護(hù)的緣起

        大關(guān)帝廟是太原市現(xiàn)存規(guī)模最完整、最大的一座關(guān)帝廟。2003年,探索性使用Paraloid B72加固劑對琉璃瓦件的酥堿、斷裂、表面加固,進(jìn)行了試驗性保護(hù)修復(fù)工作。目前,加固后的大關(guān)帝廟的琉璃瓦件現(xiàn)狀較為穩(wěn)定,但與2003年加固時比較,其顏色變深,成為此次進(jìn)一步系統(tǒng)化研究的重要初級參考數(shù)據(jù),亦在保護(hù)的方法與材料、縱向時間等方面,為本課題的可行性,提供了被實踐檢驗過的具有前瞻性的有力旁證。

        3 加固實驗的試驗?zāi)康?/h2>

        此次實驗,分別從太原晉源區(qū)明秀寺、太原府城文廟、尖草坪區(qū)趙家山龍王廟3處古建筑選取明、清時代琉璃瓦件樣品,病害種類包括胎體酥堿、殘缺、表面脫釉、斷裂等。實驗的目的是確定琉璃瓦件斷裂的對接黏結(jié)劑、酥堿瓦胎的加固材料、瓦件小面積殘缺的修補(bǔ)材料、表面釉層脫落的修補(bǔ)方法等。

        此次對太原晉源區(qū)明秀寺、太原府城文廟、尖草坪區(qū)趙家山龍王廟3處琉璃瓦件的實驗保護(hù),經(jīng)過篩選,初步確定選擇Paraloid B72作為加固劑及補(bǔ)全材料的黏結(jié)劑。主要原因:一是在琉璃保護(hù)中盡可能減少材料的種類,有利于材料間結(jié)合力的提升;二是3處文物建筑琉璃瓦件保護(hù)后,經(jīng)過十多年的時間考驗,這種材料比較適合太原地區(qū)琉璃的加固與保護(hù);三是Paraloid B72材料是具有無色、透明、強(qiáng)度大、易調(diào)色且防水性好等優(yōu)良特性的材料[3]。

        4 加固實驗過程

        4.1 明秀寺

        取樣明秀寺孔藍(lán)琉璃筒瓦1件。該樣品存在胎體酥堿、表層胎體輕度殘缺、釉層脫釉等病害。

        4.1.1 實驗方法

        1)琉璃的清洗與脫鹽:(1)清洗琉璃表面污塵;(2)將清洗干凈的琉璃浸泡在蒸餾水中,每隔2 h后進(jìn)行替換,反復(fù)替換8次;(3)將脫鹽的琉璃徹底晾干。

        2)琉璃表面脫釉的加固:將此樣品瓦件分為3個區(qū),用丙酮溶解Paraloid B72分別配制濃度為10%、20%、30%的Paraloid B72加固劑。方法:由注射器滴入等量不同比例的加固劑,每次間隔10 min共滴入5次。24 h后進(jìn)行簡單的測試,初步確定加固后的強(qiáng)度基本滿足。

        3)補(bǔ)全:因瓦胎存在不同程度的殘缺,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)全。補(bǔ)全材料高嶺土+顏料;黏結(jié)劑為2種:一種是濃度為10%的Paraloid B72,另外一種是丙烯顏料,補(bǔ)全時配置與瓦件原色接近的顏色直接涂刷。嘗試性對貓頭上半部分進(jìn)行了實驗性修復(fù),因貓頭為浮雕,調(diào)制較稀膏狀對其龍紋細(xì)微部分進(jìn)行了補(bǔ)全。

        4)表面封護(hù)材料的確定:補(bǔ)全修復(fù)后用丙烯顏料直接涂刷,顏色相近,但光澤效果不甚理想,較為死板;于是在其表層再涂1層濃度為30%的Paraloid B72加固劑進(jìn)行封護(hù),以增加其亮度,效果較好。

        為達(dá)到補(bǔ)全后表面封護(hù)的目的,將瓦面等量分為3個區(qū)域進(jìn)行封護(hù)。第一個區(qū)域在補(bǔ)釉后用濃度為5%的Paraloid B72加固劑進(jìn)行封護(hù),再用砂紙進(jìn)行打磨,使表面光滑;第二個區(qū)域在補(bǔ)釉后用濃度為3%的Paraloid B72加固劑進(jìn)行封護(hù),再用砂紙進(jìn)行打磨,然后配置與原色接近的丙烯顏料進(jìn)行涂刷;第三個區(qū)域在補(bǔ)釉后用濃度為2%的Paraloid%B72加固劑進(jìn)行封護(hù)。

        初步結(jié)果:第一個區(qū)域經(jīng)打磨后,瓦面顏色部分脫落、顏色變淺,效果不佳;第二個區(qū)域最接近瓦件原色,效果明顯;第三個區(qū)域補(bǔ)釉后用濃度為2%的加固劑進(jìn)行封護(hù)后顏色變深,效果差。

        4.1.2 明秀寺實驗結(jié)論

        1)明秀寺筒瓦存在酥堿、脫釉等病害,通過實驗可知,修復(fù)前必須進(jìn)行深度徹底的脫鹽處理。

        2)酥堿的加固初步確定使用濃度為20%的Paraloid B72即可滿足其強(qiáng)度。

        3)對于酥堿程度較輕、胎體比較穩(wěn)定、脫釉的瓦件可直接配置與原色接近的丙烯顏料進(jìn)行涂刷,效果明顯,再用濃度為3%的Paraloid B72進(jìn)行表面封護(hù),效果更佳。因瓦件本身顏色不均勻,故在配色時需反復(fù)實驗,調(diào)制多種深淺程度不同的丙烯顏料試涂,顏色調(diào)至最佳時再進(jìn)行涂刷,否則,瓦面會出現(xiàn)“花斑”,影響整體效果。

        4.2 趙家山龍王廟

        取樣趙家山龍王廟筒瓦3件。該樣品存在琉璃胎體脫釉病害。

        4.2.1 實驗方法

        1)琉璃的清洗與脫鹽:(1)清洗琉璃表面污塵;(2)將清洗干凈的琉璃浸泡在蒸餾水中,每隔2 h后進(jìn)行替換,反復(fù)替換6~10次;(3)將脫鹽的琉璃晾干。

        2)琉璃瓦件的加固:(1)將此3件樣品瓦件分為2組,2件脫釉瓦用環(huán)己酮和Paraloid B72分別調(diào)配成濃度為10%、20%的溶液,由注射器等量滴入不同比例的加固劑,加固3~5次;(2)24 h后進(jìn)行簡單的測試,初步確定加固后的強(qiáng)度基本滿足。

        4.2.2 趙家山龍王廟實驗結(jié)論

        (1)趙家山龍王廟3件筒瓦主要病害為脫釉,通過實驗可知,修復(fù)前必須進(jìn)行深度徹底的脫鹽處理;(2)經(jīng)分組實驗可知,濃度為10%的Paraloid B72較為適合脫釉瓦件的加固,可滿足其強(qiáng)度;(3)因瓦件胎質(zhì)相對穩(wěn)定,濃度為20%的Paraloid B72加固劑濃度偏高,不適合此處脫釉瓦件的加固;(4)對于僅表層脫釉的瓦件可直接配置與原色接近的丙烯顏料進(jìn)行涂刷,效果較好。

        4.3 太原府城文廟

        取樣太原府城文廟孔藍(lán)琉璃筒瓦2件。其中,1件樣品為脫釉,另1件樣品為斷裂。

        4.3.1 實驗方法

        1)脫釉瓦的加固方法:清除表面堆積的雜物,用表面活性劑適度濕潤后由蒸餾水進(jìn)行清洗污塵,并進(jìn)行脫鹽處理。因該樣品胎體穩(wěn)定,故采用調(diào)制丙烯顏料直接在脫釉處涂刷。

        2)斷裂瓦的加固方法:徹底清洗琉璃表面的污塵,脫鹽處理,晾干。反復(fù)吻合后由濃度為50%的Paraloid B72對接。48 h后,調(diào)制丙烯顏料在對接裂縫處涂刷。將對接后的琉璃瓦浸泡在水中7 d,對其防水性能進(jìn)行測試,第5 d時,接縫安然無恙,僅表面封護(hù)部位出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象,說明封護(hù)較薄,易與水發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生氣泡,屬正常范圍內(nèi)。

        4.3.2 太原文府城廟實驗結(jié)論

        (1)對于胎體穩(wěn)定的脫釉琉璃瓦件,可根據(jù)實際情況直接采用調(diào)制丙烯顏料涂刷2~3次的方法,效果較佳。(2)經(jīng)過防水實驗,對接加固好的瓦件浸泡水中10 d后仍然接縫穩(wěn)定,由此可知,加固黏結(jié)劑采用濃度為50%的Paraloid B72較為合適,方法可行。

        5 紫外老化實驗

        為了模擬陽光等自然損毀條件下古建筑琉璃瓦件的變化情況,委托西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院——文化遺產(chǎn)研究與保護(hù)技術(shù)教育部重點實驗室,對經(jīng)Paraloid B72加固保護(hù)后的琉璃瓦件樣品,采用和太陽光具有良好相關(guān)性的紫外光源分組對其進(jìn)行照射測試,以確定測試材料的耐光性和耐水性,取得樣品變化的相關(guān)數(shù)據(jù)及實驗結(jié)論。具體如下。

        5.1 實驗方法及條件

        琉璃瓦件樣品5件,將實驗樣品琉璃瓦置于6只UVA紫外燈下輻照,輻射最大波長為365 nm,測量點距燈高度約55 cm、平均紫外線輻照度為53μW/cm2。每照射5 d后采用X-riteSP60分光光度儀(美國愛色麗生產(chǎn))測量各點顏色參數(shù),根據(jù)其變化來考察修復(fù)材料的耐光性能。實驗樣品累積共經(jīng)歷了15 d的紫外輻照。

        對4號樣品,紫外燈輻照5 d后,泡水3 d、再陰干2~3 d(泡水及陰干過程其余樣品停止輻照),此為1個周期。本實驗進(jìn)行了3個周期的老化和檢測,以此考察修復(fù)材料的耐水性能。

        實驗中,將每個琉璃瓦樣品的另一半用錫箔紙包裹作為空白對照。

        實驗過程中用德國Testo175-H2型溫濕度計實時測量環(huán)境溫濕度,每半小時記錄1次數(shù)據(jù)。其中溫度平均值為20.2℃,最大值為20.6℃,最低為18℃;相對濕度平均值為49.19%,最大值50.5%,最小值47.8%。

        5.2 實驗結(jié)果

        1)耐光性考察:實驗中選擇與太陽光相關(guān)性好的UVA紫外燈對樣品進(jìn)行輻照,輻照后樣品的顏色參數(shù)結(jié)果(見表1)。

        表1 紫外輻照前、輻照5d、10d、15d后樣品L、a、b值及色差值△EμW/cm2

        續(xù)表1μW/cm2

        續(xù)表1μW/cm2

        表1中L、a、b為顏色參數(shù)的測量值,ΔE為導(dǎo)出值。其中,L值為明度相關(guān)量,a值為紅度/綠度的相關(guān)量,b值為黃度/藍(lán)度的相關(guān)量;ΔE為色差值,反映顏色的變化程度。ΔE值的計算公式如下:

        ΔE與顏色變化程度或顏色差異之間的關(guān)系見表2。

        表2 ΔE與物質(zhì)顏色變化或顏色差異的關(guān)系

        根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對比表2中的對應(yīng)關(guān)系可以看出:經(jīng)過15 d紫外線輻照后,5件琉璃瓦樣品顏色變化大多數(shù)都在輕微或微量范圍內(nèi),肉眼無法感覺顏色的變化。表明,修復(fù)材料經(jīng)15 d UVA紫外燈輻照后是穩(wěn)定的。

        2)耐水性考察:4號樣品經(jīng)5 d紫外光照射后,泡水3 d,再陰干2~3 d,共經(jīng)歷了3個這樣的周期。實驗觀察到:(1)接縫依然牢固,表明黏結(jié)材料性能良好;(2)泡水后表面部分補(bǔ)全位置鼓起氣泡,待琉璃瓦陰干后氣泡變小或消失。

        6 黏結(jié)琉璃瓦抗拉檢測實驗

        6.1 概況

        為檢測加固保護(hù)后的琉璃瓦件的強(qiáng)度,委托太原理工大結(jié)構(gòu)實驗室,對經(jīng)Paraloid B72加固保護(hù)后的琉璃瓦件樣品,進(jìn)行加固強(qiáng)度檢測實驗,取樣太原府城文廟斷裂黏結(jié)筒瓦樣品,對其進(jìn)行了拉伸實驗,以測試其黏結(jié)效果。

        6.2 實驗依據(jù)

        本次實驗根據(jù)試件實際使用情況,參考GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

        6.3 實驗設(shè)備

        實驗采用WDW-100微機(jī)控制電子萬能實驗機(jī),實驗機(jī)測量范圍0~1 000 kN,實驗力測量分辨率1/200 000。

        6.4 實驗構(gòu)件參數(shù)

        試件長l為295mm,瓦片截面外徑180mm,瓦片厚度25 mm。

        6.5 實驗過程及結(jié)果

        根據(jù)實驗機(jī)情況及文物試件的不可破壞性,不能加載致使試件破壞,將試件通過夾具有效固定于實驗機(jī)上下夾頭(見圖1),實驗曲線如圖2、圖3所示。表3為拉伸實驗結(jié)果。

        圖1 黏結(jié)琉璃瓦拉伸實驗中

        圖2 試件荷載-變形實驗曲線

        圖3 荷載-時間實驗曲線

        表3 拉伸實驗結(jié)果

        從圖2可以看出,本次實驗加載到7.75 kN,最大的位移值為0.528 mm,曲線的起始段有0.4 mm的夾具滑移值,試件受荷達(dá)到7.75 kN的縱向拉伸位移值Δl應(yīng)為0.028 mm。從圖3可以看出,試件經(jīng)過30 s即可達(dá)到7.75 kN。為了不使試件破壞,實驗中沒有對試件繼續(xù)加載,只在此荷載值上維持了總共300 s的時間(5 min),試件沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

        試件截面大致為半圓環(huán),由前述試件尺寸計算可知試件截面積約為:

        式中,D為圓環(huán)外徑;d為圓環(huán)內(nèi)徑;l為試件長度。

        由此可得,本試件可承受的抗拉應(yīng)力實測值為2.1 MPa,在維持荷載5 min的情況未出現(xiàn)膠黏劑接縫處及其他任何部位的破損和破壞的狀況。

        7 分析與結(jié)論

        1)存在酥堿病害的琉璃瓦件,修復(fù)前必須進(jìn)行深度徹底的脫鹽處理;酥堿的加固基本確定使用濃度為20%的Paraloid B72即可滿足其強(qiáng)度;對于酥堿程度較輕、胎體比較穩(wěn)定的瓦件可直接配置與原色接近的丙烯顏料進(jìn)行涂刷,效果明顯,再用濃度為3%的Paraloid B72進(jìn)行表面封護(hù),效果更佳。

        2)主要病害為脫釉的琉璃瓦件,修復(fù)前必須進(jìn)行深度徹底的脫鹽處理;經(jīng)分組實驗可知,濃度為10%的Paraloid B72較為適合脫釉瓦件的加固,可滿足其強(qiáng)度;對于胎體穩(wěn)定的脫釉琉璃瓦件,可根據(jù)實際情況直接采用調(diào)制丙烯顏料涂刷2~3次的方法,效果較佳。

        3)主要病害為斷裂的琉璃瓦件,經(jīng)過防水實驗,對接加固好的瓦件浸泡水中10 d后仍然接縫穩(wěn)定,可知加固黏結(jié)劑采用濃度為50%的Paraloid B72較為合適,方法可行。

        4)對Paraloid B72加固保護(hù)后的琉璃瓦件樣品,采用和太陽光具有良好相關(guān)性的紫外光源分組對其進(jìn)行照射,經(jīng)過15 d紫外線輻照后,5件琉璃瓦樣品顏色變化大多數(shù)都在輕微或微量范圍內(nèi),肉眼無法感覺顏色的變化。表明,修復(fù)材料經(jīng)15 d UVA紫外燈輻照后是穩(wěn)定的。主要病害為斷裂的琉璃瓦件樣品經(jīng)5 d紫外光照射后,泡水3 d,再陰干2~3 d,共經(jīng)歷3個周期后接縫依然牢固,表明黏結(jié)材料性能良好。

        5)對經(jīng)Paraloid B72加固保護(hù)后的琉璃瓦件樣品,進(jìn)行加固強(qiáng)度檢測實驗。取樣太原府城文廟斷裂黏結(jié)筒瓦樣品,對其進(jìn)行了拉伸實驗,可承受的抗拉應(yīng)力實測值為2.1 MPa,在維持荷載5 min的情況未出現(xiàn)膠黏劑接縫處及其他任何部位的破損和破壞的狀況,表明黏結(jié)材料強(qiáng)度性能良好。

        通過分組實驗、對比分析、反復(fù)研究,基本確定Paraloid B72用于古建筑琉璃瓦件保護(hù)加固較為可行。對琉璃瓦件采用Paraloid B72進(jìn)行加固保護(hù),有效地防止了琉璃胎質(zhì)酥堿、松散、釉層脫落,使其耐光性、耐水性得以增強(qiáng),從而抑制或減緩了水的侵蝕,延長了瓦件的使用時間,保護(hù)效果較好。不足的是,經(jīng)Paraloid B72加固保護(hù)后的琉璃瓦件光澤度不夠,且隨著時間的推移,瓦面顏色逐漸加深,仍需長期觀測。任何修復(fù)材料都有其局限性,其修復(fù)效果仍有待于在實踐中得以進(jìn)一步驗證。

        此次實驗,旨在探索研究適合山西地區(qū)琉璃瓦件保護(hù)的材料與方法,為山西古建筑琉璃瓦件的加固保護(hù)提供借鑒。

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