摘 要：為探究溫度循環(huán)對壁畫地仗層與支撐體接觸面力學(xué)性能的影響，對天津明代壁畫殘塊進(jìn)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(huán)、單軸拉伸試驗(yàn)與直接剪切試驗(yàn)分析壁畫地仗層與支撐體接觸面的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，揭示壁畫地仗層與支撐體接觸面的力學(xué)損傷機(jī)理。結(jié)果表明：隨著溫度循環(huán)次數(shù)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(fā)育嚴(yán)重；壁畫地仗層與支撐體接觸面試樣的抗拉及抗剪強(qiáng)度隨著溫度循環(huán)逐漸下降，循環(huán)30次后抗拉及抗剪強(qiáng)度明顯降低；壁畫地仗層與支撐體接觸面試樣強(qiáng)度的損失主要集中于循環(huán)的前30次，此后溫度對接觸面試樣的抗剪強(qiáng)度影響逐漸減小。研究成果不僅證實(shí)了溫度循環(huán)是造成壁畫內(nèi)部空鼓和脫落等病害的原因之一，也為壁畫保護(hù)工作提供一定參考。

關(guān)鍵詞：壁畫；力學(xué)性能；溫度循環(huán)；接觸面；破壞機(jī)理

中圖分類號：TU 08""""" 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)中占有十分重要的地位，有較高的文化藝術(shù)價(jià)值。建筑壁畫由最內(nèi)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(wěn)定^[2-3]。

受自然環(huán)境的長期影響，壁畫地仗層和支撐體接觸面的力學(xué)性能發(fā)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(xué)性能具有顯著的影響，曹?，摰确治隽瞬煌馏w間的接觸面的力學(xué)性能，闡釋了不同土體的接觸面屬于薄弱區(qū)域，更易受到環(huán)境溫度反復(fù)循環(huán)的影響^[6]；趙羚子研究了雙層土層間接觸面變形及力學(xué)特性，得出了雙層土在不同環(huán)境因素下的剪切變形規(guī)律并指出了隨著溫度波動宏觀接觸面剪切強(qiáng)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(xué)性能等，認(rèn)為黏土-砂土接觸面的剪應(yīng)力表現(xiàn)為硬化性，而黏土-混凝土接觸面的剪應(yīng)力表現(xiàn)為軟化性，并指出溫度循環(huán)會使接觸面的抗剪強(qiáng)度降低^[8]；此外國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)對不同介質(zhì)間接觸面的力學(xué)性能進(jìn)行研究，證實(shí)了不同介質(zhì)間接觸面在其材料中相對薄弱^[9-14]；并揭示了不同介質(zhì)破壞時(shí)的裂紋擴(kuò)展機(jī)理^[15-17];大量學(xué)者利用溫度循環(huán)方法對不同介質(zhì)間接觸面力學(xué)性能進(jìn)行分析，均發(fā)現(xiàn)溫度循環(huán)會使材料及不同介質(zhì)間接觸面的力學(xué)性能降低^[18-23]。

雖然許多學(xué)者已經(jīng)認(rèn)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(guān)研究還未完全展開。因此，在對天津明代壁畫結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，通過單軸拉伸試驗(yàn)與直接剪切試驗(yàn)，分析壁畫地仗層與支撐體接觸面在溫度循環(huán)下的表觀特征和宏觀力學(xué)性能變化規(guī)律，探究溫度變化對壁畫地仗層與支撐體接觸面的影響機(jī)理，研究結(jié)果可以為壁畫文物的保護(hù)和修復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)，具有科學(xué)和現(xiàn)實(shí)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(jié)構(gòu)從里向外分別為支撐體、地仗層和顏料層。其中地仗層最內(nèi)部為支撐體，地仗層分為粗泥層和細(xì)泥層，粗泥層直接黏結(jié)于支撐體上，厚度約50～80 mm；細(xì)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(jìn)行殘塊取樣，包括粗泥層及支撐體，為探明現(xiàn)場樣品的實(shí)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(jìn)行觀察。經(jīng)觀察，支撐體及粗泥層由黏土、細(xì)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(jìn)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(zhì)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(xì)的黏土?xí)腋∮谏蠈?，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(fù)操作，直至上層液體澄清，最后烘干得到各組分質(zhì)量及占比（表1）。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）關(guān)于對烘干法的誤差要求，各質(zhì)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(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）采用直徑61.8 mm、高度20 mm的環(huán)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(huán)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(gè)環(huán)刀疊放在支撐體試樣環(huán)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(yàn)方案

對試樣進(jìn)行不同次數(shù)的溫度循環(huán)試驗(yàn)后，再通過單軸拉伸試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)分析壁畫地仗層與支撐體接觸面的力學(xué)性能。

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

單軸拉伸試驗(yàn)采用WEW-B微機(jī)屏顯液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，加載過程采用位移控制形式，位移速率設(shè)置為0.1 mm/min，對不同循環(huán)次數(shù)下的樣品分別進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果取平均值。

采用直接剪切試驗(yàn)取得接觸面的抗剪強(qiáng)度，使用ZJ-4A型應(yīng)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(yīng)力設(shè)置為100，200 kPa和300 kPa這3組（圖4）。

2 結(jié)果和討論

2.1 接觸面的破壞形態(tài)

經(jīng)過溫度循環(huán)后，壁畫地仗層與支撐體接觸面試樣均發(fā)生開裂，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的裂隙也越多。通過對試樣的開裂情況進(jìn)行觀察，對各組試樣的開裂特征進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)溫度循環(huán)后試樣的開裂主要出現(xiàn)在接觸面附近和試樣的地仗層部分（表2）。

溫度循環(huán)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(shù)不同，在溫度變化條件下，兩者發(fā)生形變差，從而導(dǎo)致接觸面出現(xiàn)開裂。

溫度循環(huán)下地仗層開裂較多而支撐體相對較少，這主要和材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)。采用HiroxKH-7700型超景深三維視頻顯微鏡對原始試樣內(nèi)部進(jìn)行觀察，在植物纖維附近存在較大的孔隙，當(dāng)材料受熱時(shí)，孔隙周圍溫度分布不均且應(yīng)力集中，容易發(fā)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(fā)生開裂（圖5）。

在正常狀態(tài)下壁畫環(huán)境溫度波動速率小于本試驗(yàn)中的溫度設(shè)定，但隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，這種影響也會增大，最終將使壁畫產(chǎn)生病害。

2.2 接觸面的抗拉強(qiáng)度

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

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

未經(jīng)過溫度循環(huán)的試樣在單軸拉伸時(shí)于接觸面處斷開，支撐體上的地仗層附著物已用紅線標(biāo)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(jīng)過溫度循環(huán)后的試樣在單軸拉伸時(shí)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(huán)試樣接觸面的破壞形態(tài)不同，溫度循環(huán)會使試樣靠近接觸面的地仗層部分出現(xiàn)裂隙，說明地仗層相較于支撐體更容易發(fā)生破壞（圖8）。

接觸面的破壞形態(tài)表明接觸面中間部分粘結(jié)良好，破壞時(shí)靠近接觸面的地仗層部分會發(fā)生斷裂，同時(shí)支撐體上會附著一定面積的地仗層附著物。通過破壞時(shí)支撐體上附著物的面積占比可以分析各組試樣的力學(xué)性能。隨著溫度循環(huán)次數(shù)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(qiáng)度

從接觸面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線來看，試樣均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化，對比不同循環(huán)次數(shù)下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線可以看出溫度對試樣的抗剪強(qiáng)度、峰值剪應(yīng)力以及殘余剪應(yīng)力的影響較大。未循環(huán)試樣在法向應(yīng)力為100，200，300 kPa時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別為80.49，111.19，143.41 kPa；而循環(huán)40次后的試樣，抗剪強(qiáng)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(yīng)力與接觸面的抗剪強(qiáng)度下降幅度成正比（圖9）。

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

階段1內(nèi)的試樣抗剪強(qiáng)度下降的速率最快，法向應(yīng)力分別為100，200，300 kPa時(shí)的試樣抗剪強(qiáng)度分別下降了12.31，18.96，27.38 kPa。階段2中試樣的抗剪強(qiáng)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(qiáng)度下降速率更小，整體趨于穩(wěn)定，該階段的試樣雖然表觀損傷較為嚴(yán)重，但抗剪強(qiáng)度已趨于穩(wěn)定。說明接觸面內(nèi)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(qiáng)度影響較小。

采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，對經(jīng)歷反復(fù)溫度循環(huán)作用后的地仗層與支撐體接觸面試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角強(qiáng)度指標(biāo)分別進(jìn)行分析。Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)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(qiáng)度，kPa；c為接觸面的黏聚力，kPa；σn為接觸面所承受的法向應(yīng)力，kPa；φ為接觸面的內(nèi)摩擦角，（°）。

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

3 結(jié) 論

1）溫度循環(huán)下裂紋主要出現(xiàn)在壁畫支撐體接觸面附近，裂紋個(gè)數(shù)隨溫度循環(huán)次數(shù)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(shù)不同引起的。

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

3）溫度循環(huán)是造成壁畫空鼓和脫落的主要因素，嚴(yán)重影響了壁畫的穩(wěn)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(cè)增加保溫層以減少溫度變化對壁畫穩(wěn)定性的影響。

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（責(zé)任編輯：李克永）