壁画病害——水陆庵壁塑墙体中含水量和可溶盐分布规律

　　水陆庵地处西安东南50㎞蓝田县城东普化镇王顺山下，是隋悟真寺内的水陆殿，始建年代不详。水陆庵内拥有造型精美的古代彩塑群，属明代雕塑艺术。现为国家重点文物保护单位。
　　墙体的风化酥碱一直是水陆庵壁塑病害中最基本和最严重的问题之一，壁塑的空鼓、错位、破损、脱落和墙体的裂隙等都是这一主要病害的不同表现形式。
　　潮湿的环境所引起的可溶性盐的迁移活动是壁塑墙体风化酥碱的最主要的因素。水陆庵四面环水，环境非常潮湿，因此测定壁塑墙体中的含水量和可溶盐的种类及含量，并研究其分布规律，对于查明湿气和盐分的来源与性质，科学地评价风化酥碱病害的机理，制定切实可行的保护方案具有十分重要的意义。
　　这里主要通过原子吸收光谱技术、高压液相色谱技术，重量分析以及有关的现场调查和地下水位测定等方法，首次对壁塑墙体中含水量及其分布规律进行了分析测试和研究，基本上查明了壁塑墙体中湿气和盐分的来源与性质，探析了壁塑墙体风化酥碱程度和原因，查明了屋面的渗漏问题，提出了相应的治理建议。
　　(一)实验
　　1.样品的选取
　　取样在水平分布和垂直分布的两个方向上进行。根据壁塑的病害分布情况并考虑到文物本身对取样的制约条件，我们在西檐墙南端和后殿北山墙东端壁塑脱落和空隙处，选取了两组泥皮层试样，从地面到墙端间隔取样5～6个点，供可溶性盐类分析，同时测定了含水量。从前殿北山墙北面0.60m、1.50m、2.40m不同的高度处，用直径2㎝、长度35㎝钻头，无振钻取墙芯样3组，并按不同水平深度分段用密封塑料袋装样，供含水量分析和研究。在0.6m高度墙基钻孔取样时，发现砖墙裙内的上墙芯已粉化形成空腔。取样部位如图5-27所示。
　　2.含水率测定
　　样品用天平准确称量后置110℃烘箱中连续干燥24h，取出后置于保干器中至恒重，计算重量百分含水量。钻取的墙芯样，按约2㎝间隔，沿水平方向分段测定。
　　3.可溶性盐类及含量测定
　　关于各种可溶性盐对古建筑墙体和壁画破坏作用，Andreas Arnold和Konrad Zehnder对此做过大量的分析研究和综述。研究指出：发现在古建筑墙体中的可溶性盐类主要是硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐、氯化物和草酸盐中的钠、钾、钙、镁和铵盐。其中以硫酸盐和碳酸盐的破坏作用为最大。
　　利用高压液相离子色谱技术和其他分析方法，测定样品中可溶性盐的阴离子和阳离子浓度。
　　本实验根据水陆庵壁塑墙体材料和周围环境之特点以及分析条件，采用火焰原子吸收分析技术和高压液相色谱分析技术，分别测定了样品中的Na(+)、K(+)、Ca(2+)、Mg(2+)、Fe(3+)阳离子浓度和SO(上2-下4)、NO(上-下3)、Cl(-)、PO(上3-下4)、F(-)阴离子的浓度。
　　(1)样品制备
　　干燥后的样品置玛瑙研钵中研磨之后，过80目样品筛。准确称取5g土样于已知重量的烧杯中，加入一定量去离子水，加盖表面皿，置电磁搅拌器上室温浸提24h，离心后取上清液分析测试。
　　(2)仪器及分析条件
　　火焰原子吸收分光光度分析
　　仪器型号：WFX-LF2型(北京)
　　实验参数：燃气：乙炔流速：0.8～1L／min
　　助燃气：空气流速：7L／min
　　高压液相离子色谱分析
　　仪器型号：BIONEX-16型(美)
　　实验参数：色谱柱：AS3阴离子分离柱(美)柱长25㎝
　　流动相：0.002mol／L Na2CO3／0.003mol／L NaHCO3
　　流速：1.8mL／min
　　(3)水质分析
　　从水陆庵院内井中和院外清河水中各取水样一个，检测其pH值和主要阴、阳离子浓度，方法同上。
　　(4)地下水位测定
　　自1994年3月份起，用锤吊法对水陆庵院内井中水位高度变化进行了检测，同时记录气候变化和周围稻田灌水等情况。
　　含水量在水平方向和垂直方向的测定结果列于表5-11、表5-12，沿不同方向的分布曲线如图5-28、图5-29。可溶盐离子浓度测定结果列于表5-13，沿墙壁高度的分布曲线见图5-30、图5-31。水位变化情况测定结果列于表5-14。地下水质分析结果列于表5-15。
　　(二)结果与讨论
　　1.含水量及其分布曲线研究
　　由表5-11、表5-12含水量测定结果知，土墙最大含水量5.5％，砖墙最大含水量0.43％。参照有关评价标准，土墙含水量已属中度潮湿状态。
　　由含水量分布曲线图5-28知，在水平方向含水量由表及里呈上升趋势，湿气由里向外扩散。由图5-29知，在垂直方向含湿量由下向上呈下降趋势，表明湿气源于下部，并漫延上升。这两种变化趋势均符合一般规律。但若将北山墙1.50m高度和2.40m高度两组土体墙芯样品分析结果进行比较，可发现有趣的现象是，2.40m高度处墙体的含水量明显高于1.50m高度处墙体的含水量，而且越向内部差别越显著。这一反常现象反映了北山墙屋面渗漏。
　　在表5-12中，比较第一组和第二组样品含水量，可发现后者明显高于前者，即大殿北端的山墙比大殿南端的檐墙含水量明显地较大。这一现象与北山墙外稻田灌水相关。
　　2.可溶盐种类、含水及分布曲线
　　由表5-13知，第一组土样的阴、阳离子浓度都相对较低，而第二组土样的阴、阳离子浓度都显著地高于第二组，与含水量分析结果相吻合。比较不同种离子的浓度，阳离子以钠离子含量最高，钙、镁离子次之。阴离子含量以硝酸根、硫酸根最为显著。
　　由图5-30、图5-31离子浓度分布曲线看，第一组各种阴、阳离子浓度沿垂直高度分布为：从地面到达约1.4m高度处，曲线呈下降趋势，随后在1.～1.8m之间又缓慢上升，在1.9m高度处，曲线反常突然上升。这种现象表明，可溶性盐不仅在地下水毛细作用下迁移上升，同时还存在着上部渗水使可溶性盐向下迁移，反映了西檐墙上部墙端曾有过较长时期的渗漏历史。第二组阴、阳离子浓度沿垂直高度的分布，曲线呈典型的地下水毛细作用上升迁移特征，其中硝酸盐和硫酸盐的含量都很高。根据不同盐类的溶解性能和平衡相对湿度值(参见表5-16)以及Andreas Arnodld等人的研究可知，溶解度较小，平衡相对湿度又很高的硫酸盐，在通常的环境温湿度条件下，很容易随环境相对温湿度的上下波动发生反复的结晶和溶解过程，这对墙体的破坏作用是很大的。当环境很干燥时，RH在50％左右波动，在此条件下，硝酸盐也可发生反复的溶解膨张—结晶收缩，因而也产生较大的破坏作用。
　　3.地下水质评价
　　据表5-15分析结果，并参照有关评价标准，河水和井水水质属淡水和软水。其中SO(上2-下4)和侵蚀性CO2的含量均小于结晶性侵蚀标准和分解性侵蚀标准，即pH>6.5时，SO(上2-下4)>1500mg／L；pH15mg／L。
　　4.地下湿气和可溶盐来源调查分析
　　水陆庵院内打井一眼，井壁剖面和井在寺院中的位置如图5-32、图5-33所示。
　　井的开挖是从护坡高度地平向下挖掘的，挖至8m左右深时，遇河底红砂泥层。泥层坚硬，停止下挖，未打出地下水，井壁上段由人工砌石修筑，高约7m左右。现井内系河水渗透而出，冬季河水下落时，井中几乎无水。
　　(1)井水水面高度变化及影响因素
　　表5-14是1994年3～7月份对井内水面高度变化的监测记录。结果表明：井内水面高度随河水水位变化，涨落幅度2.0～2.3m。井内水面高度受墙外水稻田栽稻放水影响极大。稻田栽稻放水7d之内，水面上升5.5m，并有持续上升趋势。
　　(2)水陆庵院址地层结构
　　水陆庵院址地层结构与井壁相似。1993年庵内前院新塑观音像工程时发现，在漂卵石上有一层薄厚不等的填土，以取齐地平，填土层最厚处约1m，最薄处0.50～0.60m。
　　(3)壁塑大殿地下湿气和可溶盐来源
　　综合上述调查结果，地下湿气的主要来源应是积蓄在0.5～1.Om厚填土层中的大气降水。正常情况下，河水水位与填层之间有8m左右厚的漂卵石相隔，可谓天然隔水屏障，不会对大殿湿气产生太大影响。但是墙外水稻田放水时，井水水位显著升高，距井口7.4m，距大殿地基实际只有6m多，并有上涨趋势。在这种情况下，水面上方的水蒸气会对填土层的吸水量产生很大影响。水稻田放水更大的影响是耕作层与填土层相连，放水时甚至可使填土层含水量处于近饱和的状态。北山墙与墙外水稻田几乎就一墙之隔，其含水量和含盐量分析结果均显著高于大殿西檐墙南端一组的土样，原因是稻田灌水影响。
　　(三)结论
　　(1)研究结果表明，目前壁塑墙基呈中等程度潮湿，含有较多的硫酸盐和硝酸盐。北山墙墙基内芯有粉状风化并形成空腔，风化程度十分严重。
　　(2)清河河水并非壁塑大殿地下湿气的主要来源。在河水水面与地基填土之间，有厚约8m左右的漂卵石天然屏障层。但当墙外稻田放水时院内井水水位显著升高5.5m，会对殿内地下湿气产生较大的影响。洪水，暴雨季节也会如此。
　　(3)壁塑大殿地下湿气的主要来源是积蓄在填土层中的大气降水。稻田放水会使填土层含水量显著升高，甚至达饱和状态。对壁塑墙体稳定性影响很大。
　　(4)可溶性盐主要来源于地基土和填体本身。大量的硝酸盐应与稻田施肥有关。
　　(5)墙体风化酥碱的主要原因是，可溶盐随地下水上升和渗漏雨水发生的迁移富集，以及环境温湿度变化发生的周而复始的结晶和溶解过程直接相关。水陆庵环境相对湿度多数在55％～70％间，因此，其中含量最高的硫酸盐很容易发生反复的溶解和结晶作用。冬季水陆庵环境相对湿度偶尔也降至45％，这时硝酸盐的结晶-溶解作用也可发生。可见可溶性硫酸盐和硝酸盐应是水陆庵壁塑风化酥碱的主要破坏因素。
　　(6)水陆庵壁塑大殿历史上一直存在着严重的屋面渗漏，目前这一现象仍有发生，不能忽视。
　　(四)治理建议
　　(1)可采用化学灌浆技术对酥碱、空鼓的墙基进行加固和改造性处理。
　　(2)选用适当的防水材料治理屋面，尤其是屋脊墙端，彻底杜绝渗漏。
　　(3)可在壁塑大殿周围设置断水隔层和表面处理，以切断填土层蓄水来源，同时也治理盐害。