乐山大佛胸腹部修复材料劣化特征研究

孙博 申喜旺 杨天宇 刘鸿 崇显灿

（作者单位：孙博、申喜旺、刘鸿、崇显灿，中铁西北科学研究院有限公司，甘肃省岩土文物保护特种工程技术研究中心；杨天宇，乐山大佛风景名胜区管理委员会）

一、引言

乐山大佛位于四川省乐山市岷江东岸凌云寺西侧，大渡河、青衣江、岷江三江汇流处。大佛为弥勒佛坐像，坐高59．96 m（通高71 m），是我国现存最大的一尊摩崖石刻造像。大佛开凿于唐代开元元年（713 年），完成于贞元十九年（803 年），历时约九十年。大佛两侧崖壁和登山道上，有许多石龛造像，多是盛唐作品。1996年12月，峨嵋山-乐山大佛被联合国教科文组织列入《世界自然与文化遗产名录》。

乐山大佛在建成之后的漫长岁月中，历经多次修缮，早期修缮工作主要针对大佛本体，胸腹部是历次修补的重点区域。目前，早期修复材料出现开裂现象，多数开裂破损部位处于临界失稳状态，局部区域已失稳剥落，严重威胁大佛下部结构及游客的安全，亟需开展保护与研究工作。

本文基于岩石力学理论，从文物材料劣化角度，针对乐山大佛胸腹部修复材料劣化现状，通过声波测试、卡斯滕量瓶法测试、表面硬度测试和点荷载检测，结合室内分析试验，对乐山大佛胸腹部修复材料病害现状及劣化特征进行分析与研究，为保护与治理提供科学支撑。

二、胸腹部修复材料劣化病害类型及分布特征

受外部环境因素影响，乐山大佛胸腹部修复材料劣化程度严重，调查发现劣化病害类型主要为早期修复材料破损，表现形式为空鼓、开裂及片状、块状剥落。

1．空鼓病害

采用无损检测和人工勘测技术，对修复材料空鼓范围进行调查。测线布设间距50cm，其中横向测线20条，编号为h1～h20，纵向测线19条，编号v1～v19。

图1 勘测测线布置图

调查结果表明，乐山大佛胸腹部开裂残损区域空鼓集中分布在大佛胸腹部中上区域，坐标（v2～v18，h1～h14），呈条带状，共计11处。最大起鼓高度为8．7cm，位于大佛左右肩部，h3～h4区域，有两处起鼓带，起鼓高度约2．2cm，总面积约21．66m2。

图2 空鼓区域分布图

图3 空鼓病害照片

2．开裂病害

按照分布方向分类，开裂裂缝分为横向裂缝和竖向裂缝两种，横向裂缝主要分布在空鼓区域上下沿，竖向裂缝通常连接上下两条横向裂缝。空鼓区共发育裂缝52条，其中横向裂缝30条，竖向裂缝22条。

图4 裂缝延伸方向分类柱状图

按照裂缝宽度分类，乐山大佛胸腹部开裂残损区域裂缝主要以微裂缝为主，共计39条，占到了75%；小裂缝12条，中裂缝1条，占到了25%。

表1 裂缝宽度分类表

图5 裂缝宽度分类饼状图

图6 开裂区域照片

3．片状、块状剥落病害

剥落主要集中在1#、2#、4#、5#空鼓及衣襟区域，1#空鼓区发育有3处剥落区域，第1处剥落区域呈碎裂状，面积约0．57m2，表面有修复层残留；第2处剥落区域面积约0．42m2，表面修复材料已经完全剥落，有早期修复层残留；第3处剥落区域已经完全剥落，面积0．07m2，下部为早期修复。2#空鼓区发育有1处剥落区域，面积约1．1m2，表面修复材料已经完全剥落，有早期修复层残留。4#空鼓区发育有2处剥落区域，第1处面积约0．05m2，第2处面积0．08m2，表面修复材料已经完全剥落，有早期修复层残留。5#空鼓区发育有2处剥落区域，第1处面积约0．01m2，第2处面积0．04m2，表面修复材料已经完全剥落，有早期修复层残留。衣襟边缘发育有两处剥落区域，第1处面积约0．29m2，第2处约0．34m2。

图7 剥落区域分布示意图

图8 剥落区域照片

三、基岩及胸腹部修复材料性能

乐山大佛基岩类型为白垩系下统夹关组砂岩，主要成分为石英和长石，胶结类型为钙、铁质胶结，有少量泥质胶结。

表2 大佛基岩的物理、力学性能指标

胸腹部区域早期修复材料为混合捶灰（由水泥、石灰、炭灰及麻刀等按一定比例拌制而成），混合捶灰作为一种“传统改进型”砂浆。其强度较高、耐水性好，干缩、冷热骤变等性能与大佛砂岩更接近。

表3 胸腹部修复材料物理、力学性能指标

四、胸腹部修复材料劣化性评价

乐山大佛胸腹部修复材料存在劣化问题，早期修复材料采用石灰类材料为熟石灰，碳化后存在脱水过程，导致孔隙率会逐渐增加，材料性能降低，后期含硅酸盐材料同样存在碳化、次生钙矾石破坏等现象。为了对修复材料劣化特征进行分析与评价，本文根据胸腹部修复层现状选择21个区域进行材料劣化性测试（声波测试、卡斯滕量瓶法与表面硬度测试）和点荷载检测（检测区域见图9）。劣化性测试参考砖石质文物吸水性能测定表面毛细吸收曲线法（WW/T 0065-2015）与超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程（CECS 02:88），点荷载检测参照工程岩体试验方法标准（GBT 50266-2013）。

图9 劣化性测试与点荷载检测区域分布图

1．声波测试

借鉴工程地质领域岩石风化系数FS，采用武汉中岩科技有限公司生产的SYT-5型波速仪，通过声学测试及岩石风化系数风化程度分级对乐山大佛胸腹部附加层材料劣化特征进行定量描述，FS计算公式如下：

上式中VP0—样品纵波速度(m/s)； VP一风化样品纵波速度(m/s)

声波测试样品为修复材料重塑样，尺寸为160mm×40mm×40mm，测试三组取平均值；风化样品为大佛胸腹部不同区域（见图9）修复材料，每个区域测试三组，取其平均值。测得修复材料重塑样VP0为1890m/s，测得大佛胸腹部不同位置修复材料VP0及其分化程度见表4：

表4 声波测试结果

由上表可知，乐山大佛胸腹部附加层材料岩石风化系数FS介于0．17～0．27之间，风化程度为未风化～弱风化。其中未风化共计12处，占57．14%，微风化共计8处，占38．10%，弱风化共计1处，占4．76%。

2．表面硬度测试

采用Equotip R3型里氏硬度计，测试新鲜修复材料表面硬度，同时选取乐山大佛胸腹部21处试验区域（见图9），每个区域测点3个，取其平均值，与新鲜修复材料表面硬度进行对比，结果如图10。

图10 表面硬度测试曲线

从硬度值分布曲线图来看，乐山大佛胸腹附加材料硬度均分布在新鲜捶灰样品的硬度值之下，因此捶灰材料在该区域露天环境条件下，表面硬度存在一定程度的衰减。对其衰减程度做统计如表5。

表5 表面硬度测试结果

从衰减率统计表来看，乐山大佛胸腹部捶灰材料风化后的硬度值衰减率分布在2%～30%之间。通过现场测试及观察，在表面潮湿、有水痕或有空鼓处的地方其硬度值较低，而硬度值较新鲜样品较大的几处位置表面都很干燥，而且通过叩击其捶灰层与基岩贴合非常密实。因此水分和空鼓病害对于捶灰材料的硬度衰减速率有着较大影响。

3．卡斯滕量瓶法测试

卡斯滕量瓶法是最早在欧洲使用的一种测试样品表面吸水量的方法，它是由德国工程博士卡斯滕先生发明的。该检测仪由一个内径约3cm的钟形玻璃罩和一根插接的带有毫升刻度的管子构成。测量时用防水粘结材料将其粘附于样品或被测量对象表面。注水至约10cm水柱然后观测记录水柱下降过程。

通过卡斯滕量瓶法定量、半定量地检测大佛胸腹部修复材料在一定压力下的毛细吸水能力和憎水能力，直观地反映大佛胸腹部附加层保存现状。

如表6所示，测得乐山大佛胸腹部附加层的毛细吸水系数都小于2，从石质文物保护的角度看，根据德国工业标准 DIN52617对材料吸水性能分级，可知修复层均属于厌水状态。

4．点荷载检测

将修复材料试样置于点荷载仪的两个球端圆锥之间，施加垂直集中荷载直至试件破坏。根据样品抵抗变形直至破坏的能力，估算修复材料样品抗压强度。该项试验方法简便，便于现场试验，且可对未加工成型的岩块进行测试，在国内有着广泛使用。对其样品强度损失率做统计分析如表7。

根据对新鲜捶灰样品进行点荷载试验，得到新鲜捶灰样品的点荷载强度为4．98MPa，通过对比风化前后点荷载强度变化发现，风化后的强度损失率在8%～35%之间，通过现场采样和观察，在表面潮湿、有水痕、有空鼓处并且较为破碎的地方捶灰材料点荷载强度偏低，在较为密实、完整的地方点荷载强度较高，与之前的硬度测试结果较为一致。

表6 卡斯滕量瓶法测试结果

表7 点荷载检测结果

5．小结

通过对乐山大佛胸腹部修复材料进行表面硬度测试、声波测试、卡斯滕量瓶法测试和点荷载检测，结果表明：

（1）胸腹部修复层结构失稳部位的捶灰样品强度损失较大，而与基岩贴合较为密实处捶灰材料强度损失较小。

（2）长期处于水渍浸泡的部位捶灰样品强度损失较大，干燥处强度损失较小。

（3）按照选取样品的层位高度来看，靠近大佛脖子处的强度损失较大，其结构失稳部位面积也较大；越靠近下部捶灰层与基岩贴合越密实，捶灰层完整度越高，其强度损失也越小。

五、胸腹部修复材料劣化样品室内分析试验

本文检测样品，取自胸腹部早期修复材料，位置编号为QY05、QY08、QY15、QY17、QY19（见图9）。通过矿物成分分析（XRD）、元素分析（XRF）及微观形貌分析（SEM），查明胸腹部修复材料矿物组成成分，元素组成成分及微观结构。

1．矿物成分分析（XRD）

1#-5#样品的XRD衍射图谱如图11所示。

图11 1#-5#样品XRD衍射图谱

1#-5#样品的XRD半定量分析结果如表8所示。

表8 1#-5#样品XRD半定量分析结果

由表8分析可知，1#～5#样品的主要矿物组成均为石英、方解石、绿泥石、高岭石和白云母，1#样品中石英含量最高，2#～5#样品中的石英含量逐渐降低；1#样品中的方解石含量最低，2#-5#样品中的方解石含量逐渐上升；1#～5#样品中，绿泥石、高岭石和白云母的含量基本相当。

2．元素分析（XRF）

1#-5#样品的XRF比较结果如图12所示。

图12 1#-5#样品XRF比较结果

由图12分析可知，1#～5#样品中SiO2含量最高，CaO次之，其余几种组分含量较低；1#样品中SiO2含量最高，2#～5#样品中的SiO2含量逐渐降低；1#样品中的CaO含量最低，2#～5#样品中的CaO含量逐渐上升；1#～5#样品中，Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3的含量基本相当。

表9 1#-5#样品元素组成数据

由表9分析可知，1#～5#样品的主要元素组成均为SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3，1#样品中SiO2含量最高，2#～5#样品中的SiO2含量逐渐降低；1#样品中的CaO含量最低，2#～5#样品中的CaO含量逐渐上升；1#～5#样品中，Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3含量基本相当。上述结果，与XRD半定量分析结果基本一致。

3．微观形貌分析（SEM）

1#样品～5#样品的SEM图片如图13所示。

由SEM结果显示，在300x条件下，颗粒呈块状，形状不规则，颗粒间存在较宽的间隙，颗粒表面的粗糙程度较低；在500x条件下，在视场范围内可以观察到一个完整的颗粒，颗粒表面分布有两种明显的结构，片层结构、褶皱结构、堆叠结构和颗粒结构，形状不规则，结构较为松散，整体稳定性较低；在2000x条件下，视场范围主要以片层结构和褶皱结构为主，区域内部片层形状不规则，片层间结合较为松散，同时少量粒状颗粒分布；在5000x条件下，样品表面存在少量球状颗粒，以片层结构、颗粒结构和褶皱结构为主，整体稳定性较差。

图13 1#～5#样品SEM图片

六、结语

本文查明了乐山大佛胸腹部修复材料劣化病害类型及分布特征，采用材料劣化综合评价系统对大佛胸腹部修复材料进行劣化程度检测，结果表明：

1．劣化导致修复材料性能降低，在重力、渗水压力、植物及微生物等的影响下，乐山大佛修复层出现空鼓、开裂及剥落病害。调查可知乐山大佛胸腹部开裂残损区域空鼓集中分布在大佛胸腹部中上区域，呈条带状，开裂主要分为横向裂缝和竖向裂缝两种，横向裂缝主要分布在空鼓区域上下沿，竖向裂缝通常连接上下两条横向裂缝，剥落有块状和片状两种形式，剥落面积介于为0．01 m2～1．1m2之间。

2．乐山大佛胸腹部捶灰材料风化后的硬度值衰减率分布在2%～30%之间；由卡斯滕量瓶法测试可知修复层均处于厌水状态；通过对比修复材料新鲜试验和胸腹部修复层点荷载强度变化发现，风化后的强度损失率介于8%～35%之间。

3．由室内分析试验可知，胸腹部修复材料主要矿物成分为石英、方解石、绿泥石、高岭石和白云母，元素组成为SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3，微观结构形状不规则，结构较为松散，整体稳定性较低。

4．在乐山大佛下阶段保护研究过程中，建议对现场检测数据进行整理和分析，按照早期修复材料成分及配比，制备重塑样品，通过室内微观试验、劣化试验以及数值计算等，进一步揭示乐山大佛修复材料劣化机理。