基于材料测试的古代建筑石材研究——以抚州地区印山石为例

王炎松，伍小敏

(武汉大学 城市设计学院, 湖北 武汉 430072)

石材作为重要的建筑材料, 已有数千年的使用历史。 早在汉朝时期, 中国就已经在建筑上大量使用石材, 目前， 中国各地保存有大量的石质建筑物和构筑物, 如石塔、 石阙、 石表以及各色石象生等[1]。 发展到明清时期, 对于石材的运用达到顶峰, 并且诞生了著名的高等石材——汉白玉[2]。而在宋朝时期所颁布的建筑规范著作《营造法式》中,有专门的“石作”部分,以此来规范石材在建筑各部位的使用以及相应的营建技艺[3]。鉴于如此可观的石质古建筑保存量,以及天然石材在中国传统建筑材料中不可或缺的地位,对于中国传统建筑之石材的研究具有重大意义。

本研究基于产自江西省抚州市金溪县的一种优质石材——印山石，印山石产于金溪县琉璃乡印山村,该村前有一座山形如印章,因此得名。截止到目前,抚州市已有由中国住建部发布的中国传统村落96个[4],传统建筑保存量十分可观,而印山石也在这些建筑中被广泛使用。

近年来, 对于历史建筑的研究与保护工作越发引起社会各界的关注, 国际上已有诸多学者将化学分析手段应用于石质文物研究,探讨了各类石材的风化机理、 机械性能等重要性质[5-9]。 与此同时, 国内对于石质文物的保护研究也取得了很大进展, 可应用于文物保护的一系列新兴方法也逐渐走入研究视野[10-13]。 然而, 目前围绕中国古代建筑石材的艺术表现特征的研究尚不充分, 针对印山石这种地方优秀石材的研究基本上是空白。 基于此， 本研究不仅关注石材的抗风化性能、 力学性能、 矿物组成等, 同时旨在揭示印山石的色彩、 平整度等建筑表现力与其化学组成的关系。 为石质文物保护提供了新的思路, 即对文物所用材料进行有针对性的深入研究, 可以更加科学地指导相关文物的保护工作, 对于中国古建筑中石质构件和石质文物的修缮与保护具有一定的意义。

1 印山石概述

1.1 使用概况

抚州地区用于建筑营造的石材从外观特征来看，可大致分为3类,红色的红砂石、绿色的豆青石以及本文所研究的印山石[14-15]。据当地居民介绍,在这3类主要的石材中,豆青石质量优于红砂石,而印山石又优于前两者。经过对抚州地区现存传统建筑广泛的田野调查,发现印山石大量使用于金溪县以及与金溪县相邻的临川、东乡等县区,其他县区如南丰、黎川、南城、乐安等使用的石材则以红砂石和豆青石为主。

在金溪县及其周围地区,也仅在少数较为富庶的村落印山石被广泛使用,普通民居上亦可见印山石墙裙、雕刻、漏窗等。而在大多数村落中,印山石往往仅用于最为重要的建筑,如祠堂、官厅、牌坊等(见图1)。调查结果表明,印山石的确为当地等级最高的建筑材料,其重要性不言而喻,这也与当地居民陈述相一致。

A 印山石牌坊；B 印山石门楼；C 印山石雕刻图1 印山石建筑与雕刻Fig.1 Architecture and carvings made of Yinshan stone

这些使用了印山石的传统建筑多为明清时期所建,一般为木结构,以砖墙作为围护,而石材多用于建筑的基础、墙裙、门框、门楣、柱础等部位,也有少部分建筑采用石质梁架。因此,根据建筑的营建年代,抚州地区对于印山石的使用可追溯到明朝时期。在具体的建筑上,印山石主要被用于富于装饰意义的门额、门楣、门楼檐口搏风、漏窗等部位,在建筑的基础、柱础、门框、墙裙等部位亦有少量使用。

1.2 表现与性能

1.2.1 色彩与质感 在色彩方面,印山石呈现素雅的灰白色,有偏青色和偏白色2种,均少有杂质,整体颜色十分均一,与中国古代书香世家淡泊名利、追求清明传世的审美取向十分契合。同时,灰白色的石雕与青砖青瓦相互映衬,更体现了一种出尘不俗的典雅美感。

在质感方面,印山石经加工之后,其表面可达到非常平整均一的状态,且呈现哑光的质感,几乎无光泽,这一点与常见的大理石等石材差异明显。哑光平整的质感与灰白内敛、细腻、深沉的色彩相辅相成,更突显了印山石这一材料所独具的宁静超然的美感(见图2)。

1.2.2 用于雕刻的表现力 除却质感与色彩之外,印山石非凡的建筑表现力主要体现于它的可加工性强,即用于雕刻能够获得多样且精致的石雕作品。抚州当地所采用的3种主要石材中,豆青石和红砂石大多只能雕刻较浅较平缓的浮雕,而印山石能够雕刻出非常饱满的圆雕甚至镂雕,一些石雕的断面非常薄,尺寸达到毫米级,其石雕内容具有更多的艺术自由度、多样性和独特性(见图2),因此，抚州石雕素有冠绝江西之称。

A 门仪；B 曾受水侵蚀的门枕石；C 门楣上的精细雕刻；D 漏窗图2 印山石艺术表现Fig.2 Artistic performance of Yinshan stone

采用印山石装饰的门楼成为当地讲究建筑质量的标志,也是屋主人地位与高级审美的象征,保证了抚州传统民居尤其是金溪民居独特的艺术价值和较高的建筑品质。

1.2.3 抗风化性能 抚州地区现存的使用了印山石的传统建筑,最早可追溯到明朝时期,距今已有五百多年,但建筑之上的印山石雕刻仍然十分精美,风化痕迹不明显,而且色彩不变,与新采石头几乎一致。在调查中还发现,由于江西地区雨水较多,部分用于建筑门枕石部位的印山石,曾长时间浸泡于雨水之中,导致其下部已经有部分变色，甚至有青苔附着,但其上雕刻仍清晰可见,质感也与上部未经雨水浸泡的部位无明显区别(见图2B),这进一步说明了印山石具有非常优越的抗风化性能。

1.2.4 结构性能 印山石用于门框等局部结构部位,拼接整齐,整体刚性好,不歪不闪,不裂不碎,实地调查中,没有发现其作为结构构件发生的破坏现象。不过,当地很少直接将印山石用作主要的结构构件特别是跨度较大的梁枋构件,甚至很少见到印山石的柱础,这一方面说明了印山石材料相对稀缺珍贵,同时也说明了根据当地使用者的经验,印山石在其结构性能方面具有一定的局限性。

2 样品选取与实验

2.1 样品选取

本次研究从金溪县当地一栋已损毁严重的明代建筑之上采集了印山石柱础1例,并从采石场中采集了印山石原石1块,作为测试样品分别标记为YS-W(经过数百年风化作用的)和YS-F(未经风化的原石),样品照片如图3所示。由图可见,印山石整体为灰白色,且色彩分布均匀,内部有黑色斑晶。

图3 样品照片 (Phe: 斑晶)Fig.3 Visual appearance of the sample (Phe: the phenocryst)

2.2 微观形貌及化学组分测试

使用超景深三维显微镜(VHX-600ESO)对切割好的样品YS-W不同微区进行放大观察并拍照,分别得到了样品切面放大倍数为 100和 500 的超景深三维显微照片。

同时,将样品YS-W和YS-F研磨成粉末,使用X 射线衍射仪(XRD;XPert Pro)对样品所含的晶体种类进行分析,得到样品的衍射谱图。并使用X射线荧光光谱仪(XRF; 9900 Series)和电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP;Agilent ICPOES730)对样品进行化学全元素定量检测,得到各样品的化学元素组分及质量浓度。最后使用扫描电子显微镜(SEM; S4800)对样品微区进行观察并拍照,同时使用能谱仪(EDS; HORIBA EX-350)对样品进行分析,以获得样品不同微区元素组成。

A 基质；B 、 C基质与斑晶共存状态；D 带有金属光泽的斑晶(Phe：斑晶；Mat：基质)图4 样品YS-W超景深三维显微镜照片Fig.4 Ultra-depth 3D Microscope image of YS-W

2.3 物理性质测定

对样品YS-W进行物理性质测定,并设置3组平行组。首先称量常态下试件的质量,记为Mn。然后将试件放入105℃烘箱烘干24 h,取出冷却至室温,称量其干燥状态下质量,记为M0。之后,采用煮沸法对试件进行强制饱和。将试件放入洁净水中煮沸6 h,保持水面始终高于试件。强制饱和结束之后,将试件置于原容器中冷却至室温,取出后用洁净的干毛巾擦干试件表面,立即称量其质量,记为M1,然后分别将试件放入水中称量装置,得到天平读数,记为M2。

试件的块体干密度ρd、颗粒密度ρs、含水率W、饱和吸水率Wsa、开口孔隙率OP根据下式算出:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，ρw为水的密度[16]。

2.4 力学性能测定

采用劈裂法对样品进行抗拉强度测试。将样品YS-W加工成为Φ50 mm×50 mm的试件3个,使用三轴测试系统对试件进行抗拉强度测试,将试件置于平台上,以0.05 kN/s的速率对试件进行加载,直至试件破坏,得到3组平行试件的抗拉强度并取均值为样品YS-W的抗拉强度。

将样品YS-W加工成为Φ50 mm×100 mm的试件,使用三轴测试系统对试件进行单轴抗压强度测试,将试件置于平台上,以0.5 MPa/s的速率对试件进行加载,直至试件破坏。分别测试了烘干状态、正常含水状态和饱和状态的样品,且每种状态的测试样品均不少于3个,最后取测试值的均值[16]。

3 测试结果与讨论

3.1 微观形貌及化学组分

样品YS-W的切面超景深显微图像如图4所示。根据超景深显微照片可知,印山石未经打磨的切面十分平整,体现出其作为装饰石材的优越性。印山石为斑状结构,其矿物颗粒分为直径≤1 mm的斑晶和粒径更小的基质部分。其中,基质部分由矿物晶粒与黏土胶结而成,且整体呈现非常均一的状态。

2组样品元素组成及含量测试结果见表1和表2,其中XRF测试结果以氧化物形式给出,ICP测试结果以单质形式给出。由表1可知,印山石的SiO2含量在63%左右,属于中性岩[17]。同时,XRF与ICP检测结果显示,样品YS-W与YS-F的基本元素组成以及含量均没有明显差异,这说明经过数百年的风化作用,印山石的大致成分并未发生改变。

表1 XRF测试结果Tab.1 XRF test result of the samples wt%

表2 ICP测试结果Tab.2 ICP test resultof the samples wt%

2组样品的XRD衍射谱图如图5所示。图中1号衍射峰对应的晶体为石英(SiO2; PDF#46-1045),2号衍射峰对应的晶体为透长石((K0.831Na0.169)(AlSi3O8); PDF#86-0682);3号衍射峰对应的晶体为钠长石(Na(AlSi3O8); PDF#99-0002),4号衍射峰角度为19.89°,对应的晶体为蒙脱石[18],5号衍射峰对应的晶体为高岭石(Al2(Si2O5)(OH)4; PDF#80-0886)。

图5 XRD谱图Fig.5 XRD patterns of the samples

A YS-F，1 500倍; B YS-F，10 000倍； C YS-W，1 500倍； D YS-W，10 000倍图7 样品的SEM照片Fig.7 SEM images of Yinshan stone

根据ICP测试结果,印山石中全碱(K+Na)和铝的原子个数比约等于1,这与XRD检测结果相符。因此，可以确定印山石的主要矿物成分为石英、透长石和钠长石,黏土矿物为高岭石和蒙脱石。石英、透长石和钠长石为浅色矿物,其中石英、透长石在火山岩中为透明无色晶体,钠长石为白色晶体,均不含有致色成分[17，19-20]。XRF和ICP均检测到了一定量的铁元素,铁元素可能为致色成分,而在XRD中并未检测到对应的矿物,推测其可能主要存在于黑色斑晶中。对样品YS-W的斑晶位置进行EDS能谱检测,结果如图6。从图6可以看出,印山石斑晶主要为铁的氧化物,几乎不含其他矿物,因此斑晶呈现黑色,且具有金属光泽,这也与前文的推论相一致。综上所述,印山石的基质中几乎不含有致色矿物且矿物晶粒分布均匀,这是印山石呈现均一的灰白色的主要原因,而含有铁氧化物的斑晶粒径较小且整体含量很低,并未对其整体的色彩和质感表现构成影响。

样品YS-W与样品YS-F的XRD谱图相比较可知，相较于刚开采出来的原石,经过数百年风化作用的印山石少了高岭石成分,而蒙脱石的含量有少量增加。除此之外,石英和钠长石的含量也有一定程度的降低,透长石含量无明显变化。

岩石的化学风化作用是成岩矿物与风化剂反应生成黏土类矿物，最终彻底瓦解成为土壤的过程[21]。影响岩石抗风化性能的因素主要包括其矿物成分和结构特征[22]。研究表明,石英所具备的化学惰性和热力学稳定性,使得其具有非常强的耐风化特性[23-24]。而在长石类矿物中,透长石属于风化最为缓慢的类型,尤其是在中性环境中[21,24-26]。钠长石风化速率较透长石更快,这也解释了为什么比起新鲜的印山石,经过风化作用的印山石钠长石含量更少。另一方面,印山石为斑状结构,显微照片显示其基质为等粒结构,研究表明等粒结构的岩石抗风化性能好且强度高。

综上所述,印山石的主要矿物成分为小粒径的浅色矿物,这是印山石呈现均一灰白色美感的主要原因。同时,其主要矿物成分化学稳定性均较好,且微观结构均一,这就使得印山石具备优越的抗风化性能和较高的色彩稳定性。

图7为样品YS-F和YS-W放大1 500倍和10 000倍的SEM图像。从图中可以看出,印山石微观结构与光学显微镜观察到的相一致,晶粒与片状的黏土矿物胶结,且矿物晶粒粒径较小较均一,整体堆积紧密,空隙不明显。样品YS-W与YS-F的SEM照片对比可以发现，相较于新开采出来的印山石,暴露于空气中几百年的印山石黏土矿物有所增多,矿物晶粒粒径有一定程度上的减小,表面出现风化痕迹,但整体结构无明显变化,这也说明了印山石具有较好的抗风化性能。

3.2 物理性质

印山石的密度以及吸水率等物性的测试结果见表3。值得注意的是,YS-W在自然状态下的含水率较低,这说明抚州的气候适宜印山石文物的保存。另外,吸水率和孔隙率是衡量岩石破坏程度的有效参数,样品YS-W较低的吸水率和孔隙率,也可侧面反映出使用了数百年的印山石风化程度仍然较低。

表3 样品YS-W的物理性质Tab.3 Physical properties of YS-W

3.3 力学性能

3.3.1 单轴抗压强度及抗拉强度 样品YS-W的力学性能测试结果见表4,其干燥状态、常态以及饱和状态下的单轴抗压强度平均值分别为78.96 MPa、74.81 MPa、42.24 MPa,软化系数为0.54。由此可见,即使经过数百年的风化作用,印山石的抗压强度仍旧较高。另一方面,印山石的软化系数较低,饱和试件的单轴抗压强度相较于干燥试件有明显降低,说明含水量对印山石的力学性能显著影响。因此,在对印山石文物的保护工作中,预防水侵蚀引起的病害应引起高度重视。

表4 样品YS-W的力学性能Tab.4 Mechanical properties of YS-W

样品YS-W的抗拉强度平均值为1.88 MPa。与众多天然石材一样,印山石在结构上抗压性能较好而抗拉性能较弱,适合于作支撑和围护构件，而不宜作为主要结构承力构件。这也与笔者田野调查的结果相一致。

3.3.2 脆性 为了更加深入地探究印山石的雕刻表现力,引入脆性这一指标作为其可雕刻性的量化参数。研究表明,岩石的脆性与其硬度、抗拉强度、抗压强度、密度、成分等诸多因素相关,目前已有众多研究定义了岩石的脆性指标[27-29]。Yarali研究了岩石的可钻性与各种脆性指标之间的关联性,发现Altindag于2003年提出的指标BI(见式(6))与岩石的可钻性之间具有强关联性,可用指标BI来反映岩石的可钻性[30-31]。

(6)

其中，BI为岩石的预测脆性指标;σc为岩石的单轴抗压强度,MPa;σt为岩石的抗拉强度,MPa。

根据式6计算出岩样YS-W的脆性指标为70.32(见表4),结合Olgay的研究,其对应的可钻性等级为“非常高”,这在一定程度上揭示了印山石具有优秀的雕刻表现力的原因。此外,岩石的可钻性受其微观结构的影响[32-33],由此推测印山石黏土与晶粒相胶结的结构,以及其较小的晶粒尺寸是其雕刻表现力好的深层原因。

4 结论

1)印山石在抚州当地传统建筑上主要作为装饰石材,而实验结果表明,印山石的艺术表现力的确远优于其力学性能,这一结果证实了我国乡土建筑在营造方面的科学性和民间工匠不凡的营建智慧。

2)印山石的软化系数较高,即其力学强度随着含水量的增加有明显的降低,因此，在印山石文物的保护工作中应重点预防水侵蚀引起的病害。

3)印山石为斑状结构凝灰岩,主要矿物成分为石英、透长石和钠长石,均为化学稳定性很高的浅色矿物;同时,SEM照片显示其晶体粒径较小且分布均匀,为等粒结构。这是印山石在色彩和质感方面具备卓越的艺术表现力,以及其具有很强的抗风化性能的根本原因。

4)综合印山石的抗拉强度和单轴抗压强度所得出的脆性指标,证实了印山石具有很强的可加工性,揭示了其雕刻表现力优异的原因。另一方面,印山石的微观结构为晶粒与黏土相胶结,且晶粒尺寸小,这应为其可加工性强的深层原因。