浅谈石质文物保护材料在石窟寺保护中的应用

2021-11-27乔旭亮

科技与创新 2021年20期

乔旭亮

（太原市天龙山石窟博物馆，山西太原 030025）

天龙山石窟位于太原市城区西南40 km 的天龙山南麓，海拔约1 400 m。始凿于北朝时期的东魏，其后北齐、隋、唐历代开凿。1 400 多年来天龙山石窟在各种自然和人为因素的影响下，损坏严重。天龙山的地质主要为砂岩和砂页岩，因受到长年累月的风吹、日晒和雨淋，岩面表层疏松，风化剥落严重。天龙山石窟目前存在的主要问题包括裂隙、表面分化、空鼓、生物侵蚀等。

通过对天龙山砂岩矿物组成和物理力学性质的检测可知：①天龙山砂岩为含砾粗—中粒石英砂岩，石英含量高，化学成分以SiO2为主；②砂岩强度类型按实测饱和单轴抗压强度分级，天龙山砂岩的饱和抗拉强度为52.94 ～56.05 MPa，属于坚硬岩石；③天龙山砂岩不具崩解性、膨胀性低、软化系数较低、抗冻性差、抗分化能力中等，影响天龙山石窟的因素有降雨、季风和昼夜温差较大等。

目前石质文物保护材料的研究和应用大致可分为如下几个方向：无机加固材料、有机加固材料、复合材料、新型保护材料（有机氟聚合物、纳米材料、生物型材料）。

位于天龙山天龙寺内石质文物构件石狮和碑亭等作为天龙寺的附属文物，近年来石质文物风化现象十分严重，表面风化片状剥落、鳞片状起翘、缺失、裂隙等病害严重。因此石刻文物的加固防护迫在眉睫。通过详实的室内外试验、测试、分析、监测，以及石质文物专家的现场指导和论证，拟对风化开裂较为严重的剥落和起壳石刻本体进行针对性的加固。如果石狮和碑亭的修复效果良好，则也可对石窟同样的剥落、起壳、开裂等危害进行抢救性加固修复。

在进行现场加固材料试验之前，对现场采取试样进行室内试验，得出物理力学及理化性质指标，进行了大量的加固材料的室内模拟配比正交试验。找出与项目区母岩强度相匹配，加固性能良好的加固材料，并在母岩本体上进行实际加固操作。

现场防风化材料从三个方面考虑，包括加固止水材料、防气透水深层加固材料和表面渗透固结材料。根据前述所有针对母岩的物理力学、理化指标结果，选择加固材料的原则是兼顾母岩的强度，使得加固材料的强度比母岩的强度略低，另外由于当地气温温差较大，文物本体强烈的热胀冷缩效益需遵循微应变调控加固机制，保证加固材料与石刻母岩变形协调的一致性。

1 灌浆加固材料

1.1 裂隙灌浆材料

充填加固材料主要以水硬性石灰为主，石英砂、母岩砂岩粉等为辅。

水硬性石灰属于无机灌浆材料，并且具有强度适宜、耐风化、透气性、抗冻融性强等优点，近些年在文物保护中得到较广泛的应用。使灌浆材料硬化后强度能与裂隙两侧不同程度风化岩体的强度相协调，需要进行大量的配比实验进行验证。

对于外露浅部裂隙以及文物本体附近裂隙的灌浆治理，本试验方案在总结以往石质文物保护中所使用灌浆材料的经验，结合其他文献资料和科研成果，以NHL5 型水硬性石灰、偏高岭土和石英砂为灌浆材料主料，以其他添加剂为辅料进行配比实验。

加固材料的流动性关系到工程应用中材料与岩体裂缝间的填充效果，实验配比采用水硬性石灰、偏高岭土和石英砂作为主料，同时添加外加剂，共设计4 种实验配比，通过改变两种主料的不同比例研究其流动性。

在完成配合比实验后，在不同的时间、用不同的设备和不同批号的材料，制作两批（B80-19、B80-20）试块进行验证，排除偶然因素的影响。经过对实验进行数据统计发现：B80-19、B80-20 两组实验取得的抗压、抗折强度都得到了较好的结果，通过28 d 养护周期，抗压强度达到了22 MPa，对比前述母岩标准样单轴抗压强度标准值P=35.78 MPa，以及冻融前表层非标准样单轴抗压强度平均标准值P=25.5 MPa，可见两组材料配比实验在强度上略小于文物本体或母岩的强度，具有较高的匹配性，同时满足工程可灌入要求和微膨胀要求。

同时，对不同批号的材料S80 和B80 试块进行易溶盐分析，排除偶然因素的影响，对比石刻本体及母岩的易溶盐含量。通过对各组实验试块进行易溶盐测定，发现采用水硬性石灰为主易溶盐的含量中，HCO3-和SO42-含量为0，CO32-和Cl-含量对比本体砂岩较多，其余阳离子含量较为接近，整体上考虑，易溶盐含量较为匹配。

因此，在裂隙灌浆的治理中，本加固方案推荐采用以下配比方案，以后将此方案统称为“水硬性石灰”：NHL5∶偏高岭土∶石英砂=1∶0.6∶0.4，水灰比0.45∶0.5。

1.2 填充加固材料

填充加固材料天然水硬性石灰注浆料NHL-i03/100为天然水硬性石灰改性材料，适用于裂隙的灌浆和缺失部位的部分填充，该材料已经进行大量室内和室外实验验证，具有适宜的强度和较好的有耐侯性。

防水透气深层加固材料。无机硅保护液是专门为土、砖、石类文物研制的纳米级（10 nm 以下）无机硅加固、保护材料，且不改变文物外观及内部结构。分别起加固与封护的作用。适用于岩体风化层厚度未超过10 mm 处的风化部位。

1.3 裂缝封堵材料

所谓的裂缝封堵材料即选用环氧树脂为有机灌浆材料，其优缺点明显，分别如下。

优点为：①环氧树脂为有机物，裂隙灌浆更具可灌性，更适合岩体细小裂隙灌注；②能够按照工程的需求调节浆液的胶凝时间；③具有更高的粘结强度。

缺点为：环氧树脂在紫外线的照射下易发生老化。

因此在本项目中，环氧树脂只用于裂隙封堵，是灌浆和裂隙内部清洗的中间过程，不作为灌浆料和加固材料使用。

总结以往石质文物岩体加固工程成功案例所积累的经验，本次环氧树脂灌浆材料选用德国进口的Viscacid®灌浆环氧树脂100。

Remmers®灌浆环氧树脂100 灌浆液推荐配比组成。一般配比率为A 组分∶B 组分，按质量比为100∶28，按体积比为100∶36。

2 石狮子、碑亭加固方案

石狮子、碑亭的病害包括粉化剥落、片状/鳞片状起翘、缺失、裂隙和空鼓等。

2.1 粉化剥落、片状/鳞片状起翘加固措施

粉化剥落、片状/鳞片状起翘的病害主要由于胶结物大部分被溶蚀迁移所导致，因此治理思路为减缓粉化病害区胶结物溶蚀、加固片状起翘防止其脱落。

粉化剥落的治理采取如下措施：①根据不同部分对治理区域进行划分，确定分片治理区域边界；②采用蒸汽和丙酮对病害区域进行清洗，清洗掉岩石粉尘和碎末；③对清洗区域进行遮盖，保护其表面清洁；④采用无机硅保护液对病害处进行滴注，共滴注2 次；⑤保护液液滴注后采取保护措施，防止雨水和灰尘污染；⑥对加固表面进行做旧处理。

2.2 局部缺失治理方法

局部缺失治理原则是对现状的加固，防止缺失部分进一步恶化，而不是修复，治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮对病害区域进行清洗，清洗掉岩石粉尘和碎末，并且要对裂隙表面深处进行除尘清洗；②对清洗区域进行遮盖，保护其表面清洁；③采用无机硅保护液对病害处粉化部位进行滴注，共滴注2 次；④采用环氧胶泥对裂隙进行封堵，并埋置注浆管和排气管；⑤采用丙酮通过注浆管和排气管对裂隙内部进行清洗；⑥丙酮挥发后，采用天然水硬性石灰对裂隙进行灌浆加固；⑦对加固表面进行做旧处理。

2.3 裂隙的治理方法

裂隙的治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮对病害区域进行清洗，清洗掉岩石粉尘和碎末，并且要对裂隙表面深处进行除尘清洗；②对清洗区域进行遮盖，保护其表面清洁；③采用环氧胶泥对裂隙进行封堵，并埋置注浆管和排气管；④采用丙酮通过注浆管和排气管对裂隙内部进行清洗；⑤丙酮挥发后，采用天然水硬性石灰对裂隙进行灌浆加固；⑥对加固表面进行做旧处理。

2.4 空鼓的治理方法

空鼓的治理方法与裂隙的治理相似，但加固材料有所不同，具体的治理方法如下：①采用蒸汽和丙酮对病害区域进行清洗，清洗掉岩石粉尘和碎末，并且要对裂隙表面深处进行除尘清洗；②对清洗区域进行遮盖，保护其表面清洁；③采用环氧胶泥对裂隙进行封堵，并埋置注浆管和排气管；④采用丙酮通过注浆管和排气管对裂隙内部进行清洗；⑤丙酮挥发后，采用天然水硬性石灰注浆料NHL-i03/100 对裂隙及其下部空区进行灌浆加固；⑥对加固表面进行做旧处理。

2.5 碑亭的生物病害治理措施

碑亭的生物病害主要表现在砂岩表面颜色改变，加速了岩体的表面的风化速度。由于生物病害的发生、发展与文物本体的砂岩质和赋存环境有关，本方案对其治理思路为改善文物本体的表面环境条件，具体措施如下：①清除碑亭周边及内部风积和尘土；②采用蒸汽对碑亭进行彻底清洗；③清洗后采取防护措施，防止碑亭再被污染；④清洗干燥后对整个碑亭采用特种有机硅氟聚合物防水剂进行防水处理，防水剂采用喷涂的方法进行施工，以防水剂不成流为原则进行喷涂；⑤防水剂喷涂后应及时进行覆盖养生，待岩体干燥后再喷涂下一次，如此反复3 次。