壁画起甲修复材料性能评价指标体系的构建初探

张化冰，苏伯民，赵林毅，刘 涛，3，谈 翔，韩霈泽，张 瑞，3

[1.敦煌研究院保护研究所，甘肃酒泉 736200；2.国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心(敦煌研究院)，甘肃酒泉 736200；3.敦煌研究院文物保护技术服务中心，甘肃酒泉 736200]

0 引 言

在现代材料研究与应用领域，对材料的适用性及适用性能的定量化评价(包括具体指标、方法及体系构建)，在材料研发、材料工程化应用、新材料的成果推广、现有材料的合理优化使用与持续发展等方面，具有建立量度标尺、规范性能参数和推动行业发展的重要作用和意义。成熟的材料研发与应用行业，例如航空、航天，汽车，建筑工程，油漆涂料等，都已建立了相对成熟、完善的针对各类型材料的评价指标体系，拥有科学、系统的指标评价方法，及相对深入的理论研究[1-2]。

1 壁画起甲成因的材料学分析

通常，壁画从内到外包含了支撑体(层)、地仗(壁面)层、粉层或打底层(有时省去)、颜料层及表面涂层等4～5层结构。如从壁画制作的材料、工艺及结构看，古代壁画也可看做是一种典型的、古代的“多层材料复合体”，即利用性质相近、可相亲(不同材料界面间可发生黏结、吸附和机械咬合等作用)的几种材料，通过一定的方法(工艺，部分类似于建筑物的墙体抹泥、抹灰)，将不同材料分几次、多层的复合在一起，组成一个相对完整封闭的结构体(壁画)[3-4]。

既然壁画是一种多层材料的复合体，那么不同材料层间材料性质有差异，加之在环境因素作用下，会出现材料的各向异性，体现出了相当的复杂性。例如在温湿度作用下材料的膨胀与收缩(形变)程度不同；耐老化性质差异而导致黏结性衰退速率不同；颜料的褪色、变色程度不同等，均会导致壁画最终出现多种病害。

这其中，起甲是威胁壁画保存的主要病害之一。起甲指壁画的底色层(即粉层)或颜料层及之上的表面涂层发生的开裂、龟裂，进而呈鳞片状卷翘的现象。如起甲呈气泡状鼓起、破裂和卷曲起翘的，则称为泡状起甲[5]。通常，起甲多发生在壁画多层结构的表层与其下层间，例如表面涂层(颜料层上的)与颜料层间、表面涂层加颜料层与白粉层或地仗层间、颜料层与白粉层间、颜料层与地仗层间等。起甲病害发展到后期，会导致颜料层最终从粉层或地仗层上脱落，严重威胁壁画的保存。常见的几种壁画起甲病害如图1所示。

图1 常见的几种壁画起甲病害Fig.1 Several common types of mural flaking

造成壁画起甲的原因是多重的，但最直接的原因是，相互黏结的两层(例如颜料层与白粉层，颜料层与地仗层)间的黏结力(附着力，一般是较弱的静电引力和物理机械力等，容易被破坏)随环境温湿度变化、可溶盐活动、渗水、光照等因素导致胶结材料老化和界面间材料性质、形貌改变等而不断减弱，逐渐无法制约、抵消同样由于多种自然、壁画制作材料、制作工艺(调和颜料时，用胶较多，溶剂水挥发带来的胶结材料收缩)等因素，甚至是颜料层、粉层、地仗层微弱而缓慢的胀缩形变，而产生的存在于层间的应力及各层内的应力(内应力)。通常这些应力都是倾向于抵抗、收缩、拨离层间黏结力的。当蓄积应力超过层间黏结力时，应力即会通过黏结的某一层，如颜料层开裂、龟裂、鼓起、破裂和卷曲起翘等方式释放，而再次达到一种力的平衡。对壁画而言，即出现了一种病害-起甲。这一过程及其力学模型，与涂敷在木材、钢材上的涂层(包括多层涂层)、建筑物内墙上的抹的腻子、刷的涂料(合称墙皮)失效的过程和原理有类似处[6-9]。

需要说明的是，由以上分析可知，起甲是主要发生在壁画最外、最上的几个材料层间，是力的不平衡造成的，和壁画本体是哪种类型关系不大；另一方面，起甲多发生在干旱、半干旱环境，潮湿环境较少，原因是高湿度环境下，壁画多层结构都被水汽浸润，水分子与颜料、与胶结材料间的氢键作用(可能还有其他作用)，可能很大程度上抵消、舒缓了应力，使其很难出现起甲(但胶结材料的老化、水解仍然存在，导致壁画逐渐脱落或漫漶不清是主要问题)[10]。

2 壁画起甲修复材料性能评价的目的、意义及进展

对壁画起甲病害的修复，自近代提出的一个总的思路是，采用一些具有一定黏结性、渗透性的材料(通常是高分子材料的水分散剂)，通过注射、滴加、喷涂等方法，将开裂、起翘的颜料片层渗透、软化(可能是一种溶剂对胶结材料的润湿、渗透、溶胀而软化的作用)后，再用专门工具轻轻回帖并黏结在它原来的粉层或地仗层上，最大限度地将起甲的颜料片层保留在壁画上，并保证壁画的完整性和原真性(颜色外观基本无变化)[11]。目前壁画起甲修复的主要方法，如图2所示。

图2 壁画起甲修复的方法Fig.2 Restoration procedures of mural flaking

自20世纪60年代，中国文物保护科学技术研究所、敦煌文物研究所从波兰引入聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯等材料始，采用天然/合成材料修复起甲壁画，逐步取得成功，并在材料性能评价、筛选方法、使用经验、修复工艺方有了一定的积累。经过数十年筛选，目前比较适合壁画起甲病害修复的材料，主要有聚醋酸乙烯酯乳液(白乳胶)、丙烯酸乳液、有机硅改性丙烯酸乳液和明胶(水溶液)等几类[12]。

T2DM 患者并发 NAFLD 与 BMI、HDL-C、TG、AST、ALT、GGT、FBG、2 hCP、FCP 有关，差异有统计学意义（P＜0.05）；性别、年龄、血压、TC、LDL-C、2 hPG、HbA1C与T2DM患者并发NAFLD无关，差异无统计学意义（P＞0.05）。

目前，对壁画起甲修复材料的筛选、评价与研究方面，已取得长足进步。早在20世纪50～60年代，我国壁画保护工作者在尝试用美术临摹调制颜料的广胶、鹿胶、龙须胶、鱼鳔胶、桃胶等修复壁画起甲时，就开始用一些修复上实践性强的方法评价材料的渗透、黏结、光学和抗菌防霉性能；20世纪80年代开始定量地测量和评价材料的一些基本物化性质，例如固含量、pH酸碱度、黏度、密度(比重)等；开展了一些初步的材料耐久性试验评价，包括耐光照、耐浸水稳定、耐温湿度变化等。近年来，在之前工作基础上，采用高分子化学、高分子物理应用研究(如油漆涂料)的思路、方法，完善了材料的一部分物化性质测量，例如玻璃化温度、分子量分布、力学性能；研究了修复材料介入后对壁画本体的表面性质、微观形貌影响，测量了材料对壁画本体水汽透过性影响等[13-20]。

国外壁画修复材料研究，相对较早，也较成熟，但从文献梳理来看，同时期(或更早)的研究也主要集中在材料本身的物化性质表征、材料的组成与结构分析、材料耐久性(主要是光照老化)及材料介入壁画后，材料性质的变化，对壁画本体性质的影响等偏作用机理方面的研究。从壁画修复对材料的需求出发的系统性的材料性能评价研究还较少[21-24]。

然而，受限于该领域小众，研究条件有限、人员投入不足等问题，早期相当一部分评价与研究(思路、指标与方法)，都是从之前数十年使用感受和实践经验中积累发展起来的，工艺、手艺性明显，主观判断、定性描述居多，客观的定量评价较少，且方法的科学性不足。而另一部分评价，则是直接参考、借用相关行业，如油漆涂料、建筑、土木工程等的思路与方法，研究结果、数据的适用性、针对性不强，且存在一定的分散性，即系统性不强。

随着壁画保护实践和保护科学的不断发展，亟须在总结材料应用实践经验和材料介入壁画本体后的机理研究基础上，采用科学的分析方法(如问题罗列法或目标分解法)，把起甲壁画修复对材料的要求、需求，尽可能科学完整地表达出来，并通过逻辑的逐层递进的要素分析法，建立“需求-性能-评价指标”逐一对应的、较为科学化、系统化、可量化的材料评价指标体系，将为壁画起甲修复材料的研究、应用推广、新材料研发、已有材料的合理使用与持续优化、壁画修复项目的规范开展等方面，提供坚实的技术支撑与理论指导。

3 对壁画起甲修复材料的“需求-性能-评价指标”体系的分析

通过对近60多年来，国内壁画修复工程项目报告，国内外关于壁画修复材料性质评价研究资料，修复材料介入壁画本体后的机理研究资料进行调查与梳理[8-23]，并结合敦煌研究院在壁画修复方面的实践经验，总结了壁画起甲修复对材料的需求，主要有以下一些方面：1)包括上文分析壁画起甲修复思路时提出的材料要对起甲颜料片层、粉层及地仗层等有良好的黏结性、渗透性、软化性，介入后不影响壁画原本的颜色、外观，作为水性剂的操作，要有一定的可操作性，例如黏度适中，流动性好；材料介入壁画本体后，不影响本体的水汽透过性，不影响正常的水盐运移，不改变壁画本体的表面性质(亲水亲电性)等。2)修复材料对无机质为主的矿物质颜料、粉层及地仗层等是安全的，不发生化学反应，不引起颜料变色，同时对操作人员和环境无毒。材料的水性液，不应显示较明显的酸性或碱性，以中性为宜，即避免与壁画本体材料发生酸碱反应。3)修复材料需要有一定的耐久(耐候)性能。修复后，能够在相当长一段时间内(例如二十至三十年间)抵御温度、湿度变化，冻融，盐分活动、光照以及微生物等因素的作用，而不出现明显的材料老化、失效等情况(例如材料发黄、变硬、不降解、难溶、水汽透过性下降等)。

根据以上对修复材料的需求，将其归纳为材料性能所属的三大要素，即有效性、安全性与耐久性。每个要素包含的子要素及对应的具体的评价指标见表1。修复材料评价的指标体系树型图，见图3。

表1 壁画起甲修复材料需求分析Table 1 Requirement analysis of the mural flaking repairing materials

(续表1)

图3 起甲修复材料评价指标体系Fig.3 Illustration of the evaluation indicator system for mural flaking repairing materials

此外，相关成熟材料行业，如航空航天、汽车等领域中金属材料评价指标体系，对材料的评价要素还包括了经济成本与可承受性等。然而壁画修复材料多使用低浓度稀释液，材料用量不大，成本因素不突出，故本研究主要讨论壁画修复材料技术与机理方面的要素。

4 壁画起甲修复材料性能评价指标方法的适用性分析

对壁画起甲修复材料的评价指标，共分为3类14个项目。这些具体的评价指标(图3)包括的范围比较广，对材料性能的要求比较多且杂，有修复操作的，物化性质的，微生物的，还有材料耐老化等多个层面，体现出了相当的复杂度。究其原因，一方面壁画处于实际的自然与社会环境中，影响作用因素众多；另一方面壁画本体又是一个多层材料的复合体，涉及的材料种类多，结构层多，相比其他材料、结构单一的文物体(如石质文物等)，研究考虑的因素就会多，问题会更复杂，也更具挑战。

表1总结的具体的评价指标，一部分来自壁画修复对材料的特殊的需求，带有明显的实践性，即工艺、手艺的特性(也可以理解为壁画修复对材料要求的特殊性)，但却是不可或缺的，例如渗透性能、软化性能(均主要对起甲颜料片层而言)。实际这个过程包含了复杂的、多种的物理化学过程和作用(如润湿、毛细吸水、溶胀、壁画本体材料层的孔隙度、胶结材料的老化程度及其他作用等)。目前尚未完全研究清楚，直接引用相关行业已有的技术方法，很难全面、准确地表达需求，而并不适用。适当发展一些，基于壁画修复工艺、手艺性的方法，例如滴加、润湿观察、手触等，只要是适用性强，符合科学原理，可尝试定性或半定量的评价方法。

又如对材料的安全性评价，对操作人员、环境的无毒无害作用，一般是参考相关有毒化学品管理手册或标准，对照要求修复材料中，不使用、不含有即可，属于一种描述性的、要求性的指标。

除此以外的指标，包括黏结强度、流动性、颜色外观、表面性质、耐久性等则是根据“需求-性能-评价指标”模型，在相同的科学作用机理前提下，直接借鉴相关领域的评价方法，例如油漆涂料、建筑材料、土木工程以及高分子材料化学、高分子材料物理、材料耐老化研究等。因而这些评价指标，方法上的科学性、适用性可以保证，结果是可以定量化或描述准确的。

5 结 论

本研究在分析了壁画起甲病害材料学成因的基础上，总结国内外壁画修复材料性能评价研究的进展，结合敦煌研究院多年来壁画保护的经验积累，采用“需求-性能-评价指标”体系，分析并尝试提出了面向壁画起甲修复的材料评价的指标、方法及体系。

目前，相比其他领域材料评价指标体系研究，面向壁画起甲修复的材料评价指标、方法及体系的构建，还属于起步阶段。存在如相关理论研究不完善，部分具体评价指标方法科学性不足，量化困难，部分具体评价指标方法需进一步针对壁画起甲修复做科学有效的优化等问题，还需要通过加大壁画保护方向的基础理论研究、相关分析检测评价技术的升级换代，逐步解决。

在逐步解决相关理论和技术问题的同时，还应采用专家测评系统，分析修复材料评价指标体系构建的合理性，确定各级评价指标的相对重要性(权重)，优化材料评价模型(体系)，最终建立一个科学客观、真实有效的，有可操作性的壁画起甲修复的材料评价体系。