敦煌莫高窟第８５窟空鼓壁畫(huà)灌漿加固材料篩選實(shí)驗(yàn)

內(nèi)容摘要：壁畫(huà)空鼓是莫高窟第85窟的主要病害之一，針對(duì)空鼓壁畫(huà)的具體特征，選擇多種充填材料，以不同配比配制的81種灌漿材料，經(jīng)過(guò)性能測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)。最終篩選出了以澄板土(一種當(dāng)?shù)睾哟渤练e黏土)為主、摻加適量浮石和玻璃微珠作為充填劑，水中加適量蛋清為主劑配制的灌漿材料。這種漿液具有容重小、流動(dòng)性好、結(jié)石體透氣性好、收縮率小、黏結(jié)強(qiáng)度適中并且可調(diào)等特點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，這種材料是莫高窟第85窟空鼓壁畫(huà)灌漿加固的理想材料。

關(guān)鍵詞：莫高窟；空鼓壁畫(huà)；灌漿材料；篩選

中圖分類號(hào)：K854.3；K879.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2007)05-0016-06

一 引言

根據(jù)病害現(xiàn)狀調(diào)查統(tǒng)計(jì)，壁畫(huà)空鼓是85窟的主要病害之一，分布廣并且嚴(yán)重。近幾年曾發(fā)生過(guò)地仗層突然脫落的現(xiàn)象，說(shuō)明空鼓壁畫(huà)脫落的不可預(yù)測(cè)與高危險(xiǎn)性，所以對(duì)空鼓壁畫(huà)進(jìn)行有效加固治理的關(guān)鍵是篩選出與之相適宜的灌漿材料。

二 灌漿材料篩選實(shí)驗(yàn)

1、篩選原則及方法

針對(duì)泥質(zhì)壁畫(huà)空鼓的具體特征，在對(duì)灌漿材料進(jìn)行篩選時(shí)遵循了容重小、透氣性好、收縮率小、強(qiáng)度適中、流動(dòng)性好和最大兼容的原則。選擇了與泥質(zhì)地仗相近的澄板土(一種當(dāng)?shù)睾哟渤练e黏土)為主，輔助材料有青磚粉、沙、粉煤灰、珍珠巖、玻璃微珠、天然浮石和雞蛋清等。

在配制灌漿材料前用蒸餾水將這些材料反復(fù)漂洗四次進(jìn)行脫鹽。經(jīng)過(guò)處理使這些材料中的鹽分大大降低(Cl^-含量小于萬(wàn)分之一)，然后用土樣篩將灌漿材料的顆粒控制在375-300μm之間。

準(zhǔn)確稱取各組分的樣品，充分混合，把占干組分5％的雞蛋清攪拌成泡沫狀倒入混合樣品中加入定量的蒸餾水，蒸餾水量控制在漿液呈流態(tài)為易，用攪拌器攪拌均勻。

2、灌漿材料性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

(1)干燥時(shí)間

在一定相對(duì)濕度和溫度下灌漿材料達(dá)到恒定重量所需要的時(shí)間。把樣品裝入體積為65.31cm³的玻璃皿中稱重(初重)，然后放入相對(duì)濕度RH40％、溫度30℃的恒溫恒濕箱中，每天稱重兩次，直至恒重。

(2)析水性

定量灌漿材料中水分析出的范圍和速度，通過(guò)直徑為5.6cm、7.7cm、10.5cm的同心圓記錄。取5ml樣品裝入注射器中，擠到已繪好不同直徑的圓心紙上，記錄水分達(dá)到的時(shí)間。

(3)透氣性

在一定的相對(duì)濕度和溫度下，一定時(shí)間內(nèi)穿過(guò)一定體積樣品的蒸餾水的量，透氣性用g/cm³·h表示。把體積為65cm³的樣品放在盛有10ml蒸餾水的塑料杯的杯口處，用蠟封閉，稱重(初重)，放入相對(duì)濕度RH40％溫度30℃的恒溫恒濕箱中，七天后稱重。

(4)線性收縮率

干燥前后樣品直徑的變化(D₁-D₂)/D₁×100

D₁為玻璃皿直徑(8.126cm)D₁為干燥后樣品直徑，線性收縮率用％表示。

(5)含水率

樣品干燥前后重量變化(M₁-M₂)/M₁×100

M₁為樣品初重，M₂為樣品終重，含水率用％表示。

(6)比重

單位體積灌漿材料的重量，用g/ml表示。

(7)抗折強(qiáng)度

把樣品制成5cm×5cm×15cm的長(zhǎng)方體，進(jìn)行抗折試驗(yàn)，以MPa表示。

(8)單軸抗壓強(qiáng)度(T-10萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī))

把樣品制成5cm×5cm×5cm的正方體，進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，樣品承受最大荷載所需的力，以MPa表示。

(9)黏結(jié)力

將單位面積上的灌漿材料從巖體上拉脫所需要的力。用注射器將40ml材料擠到已制備好的8×8cm的模擬地仗中，貼到巖體上，干燥后進(jìn)行拉拔。黏結(jié)力用牛頓(N)表示。

(10)抗剪切力

方法同“(9)黏結(jié)力”步驟，不同的是試驗(yàn)時(shí)在模擬地仗邊緣向一個(gè)方向平行于崖面施力，直至模擬地仗脫落。

3、灌漿材料性能測(cè)試結(jié)果

次此實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了80多種不同組份和配方的篩選，由于受篇幅所限，選擇其中有代表性的幾種材料的測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表1)。

4、測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)

(1)析水性

水分能到達(dá)第二圈為優(yōu)，到達(dá)第三圈為良，小于第一圈或大于第三圈為差。

(2)干燥時(shí)間

干燥時(shí)間在26-52小時(shí)之間為優(yōu)，在53-90小時(shí)之間為良，在91-117小時(shí)之間為差。

(3)線性收縮率

線性收縮率在0.20-2.29％之間為優(yōu)，在2.30-4.14％之間為良，在4.15-6.10％之間為差。

(4)含水率

含水率在14.1-25％之間為優(yōu)，在25.1-38％之間為良，在38.1-44.05％之間為差。

(5)比重

比重在0.8-2.5之間為優(yōu)，在2.51-3.5之間為良，在3.51-5.03之間為差。

(6)抗折強(qiáng)度

抗折在0.297-O.468MPa之間為優(yōu)，大于或小于此范圍為差。

(7)單軸抗壓強(qiáng)度

單軸抗壓在0.386-1.193MPa之間為優(yōu)，大于或小于此范圍為差。

(8)透氣性

透氣性在6.03×10^-4-7.20×10^-4之間為優(yōu)，在4.59×10^-4-6.02×10^-4之間為良，在3.74×10^-4-4.58×10^-4之間為差。

(9)黏結(jié)力

黏結(jié)力在60-98N之間為優(yōu)，大于或小于此范圍為差。

(10)抗剪切力

抗剪切力在290-390N之間為優(yōu)，大于或小于此范圍為差。

5、灌漿材料老化實(shí)驗(yàn)

為了考察灌漿材料的抗鹽害能力，選擇11^#、12^#、65^#、78^#和81^#樣品進(jìn)行老化模擬實(shí)驗(yàn)。

把上述五種材料裝入玻璃皿中，分兩組，一組加1.5％的NaCl，一組不加，各做三塊，其中兩塊做試驗(yàn)用，一塊留做對(duì)比用。把干燥后的試塊放入相對(duì)濕度RH100％溫度為30℃的恒溫恒濕箱中48小時(shí)后取出，放在常溫中干燥24小時(shí)，然后再放入RH100％的恒溫恒濕箱中，如此反復(fù)循環(huán)，詳細(xì)觀察記錄試塊老化情況，結(jié)果見(jiàn)表2。

三 吸水脫鹽材料實(shí)驗(yàn)

空鼓壁畫(huà)灌漿后，鹽分在水分的作用下向外運(yùn)移，在地仗和顏料層表面聚積結(jié)晶，對(duì)壁畫(huà)造成危害，所以選擇適合的脫鹽吸水材料并在灌漿過(guò)程中對(duì)壁畫(huà)進(jìn)行吸水脫鹽處理是非常必要的。

1、吸水材料：KC-X70、KC-X60(純木漿與無(wú)紡布交織在一起制作成的高吸水性材料)、細(xì)毛毯、脫脂棉、生宣紙、日本棉紙、M-F2001(合成纖維與聚酯樹(shù)脂混合在一起，制作成的高吸水性材料)、鏡頭紙、粗羊毛毯、細(xì)羊毛毯以及這些材料的黏土袋(墊)。

2、實(shí)驗(yàn)步驟

(1)把上述吸水材料切割成8.5cm×8.5cm的方塊并制作成相應(yīng)的黏土袋(墊)。

(2)將一塊規(guī)格為19.5cm×24.5cm細(xì)毛毯平鋪于桌面均勻噴濕。

(3)分別稱量吸水墊的干重或潮重，將每一個(gè)吸水墊水平放在噴濕的細(xì)毛毯上，蓋金屬板并加1000g的重物，記錄實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的時(shí)間。

(4)每15分鐘稱量一次吸水墊的重量，至吸水墊質(zhì)量不再增加為止。

3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)

四 空鼓壁畫(huà)現(xiàn)場(chǎng)模擬灌漿及脫鹽試驗(yàn)

為了考察灌漿材料在現(xiàn)場(chǎng)的可灌性以及灌漿后鹽分在地仗中的運(yùn)移情況，按唐代壁畫(huà)地仗的材料模擬制作空鼓試塊，灌入灌漿材料，用透氣頂板把吸水墊敷貼在試塊上，進(jìn)行脫鹽。

1、空鼓壁畫(huà)模擬試塊制作

按澄板土：沙：麥草：水為64：36：3：33的比例(質(zhì)量比)制成20cm×20cm，厚2cm，空鼓部位厚1cm的試塊14塊，為了較清楚地觀察鹽分的運(yùn)移情況，在試塊中加入2％的NaCl，待試塊干燥后，貼在85窟東壁和南壁下側(cè)壁畫(huà)已脫落的崖體上。試塊分7組，每組兩塊，編號(hào)為1^#A、1^#B——7^#A、7^#B。

2、灌漿前微巖心取樣

在試塊的一角用微巖心采樣器進(jìn)行不同深度取樣，分析試塊中的含鹽量及其分布。

3、灌漿

在模擬試塊的空鼓部位鉆兩個(gè)小孔，一個(gè)作為灌漿孔，一個(gè)作為排氣孔。用注漿器從灌漿孔注入81^#灌漿材料200ml。

4、敷貼吸水墊

為了了解灌漿材料在干燥過(guò)程中采用不同方法和不同吸水墊的脫鹽效果，選擇日本棉紙、KC-X60、M-F2001、KC-X60黏土(KC-X60和泥漿混合干燥)、M-F2001黏土(M-F2001和黏土混合干燥)和2cm厚的普通海綿，頂板用鉆有多孔的五合板制成。

1^#A、1^#B、3^#A、3^#B和5^#A、5^#B在灌漿后立即使用頂板把吸水墊敷貼在試塊上；2^#A、2^#B、4^#A、4^#B和6^#A、6^#B當(dāng)水分到達(dá)表面時(shí)，用少許蒸餾水把日本棉紙貼在試塊上，用頂板把吸水墊敷貼在試塊上，為了作對(duì)比7^#A、7^#B不加吸水墊，在自然環(huán)境中干燥。記錄觀察結(jié)果(見(jiàn)表4)。

5、灌漿后微巖心取樣

待灌漿試塊全部干燥后，在灌漿部位用微巖心采樣器進(jìn)行不同深度取樣，分析試塊脫鹽后的含鹽量及其分布。圖1為1A、1B取樣點(diǎn)灌漿前后鹽分分布對(duì)照。

6、模擬試塊切面檢查

模擬灌漿后對(duì)試塊進(jìn)行切面檢查，觀察到黏結(jié)面大多從灌漿材料處開(kāi)裂，局部拉拔下一些細(xì)沙和巖石顆粒。

五、結(jié)論

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1、灌漿材料

澄板土、玻璃微珠和天然浮石這類組份的灌漿材料，具有優(yōu)良的透氣性，線性收縮率小，干燥時(shí)間短，容重小，現(xiàn)場(chǎng)模擬有很好的可灌性。

2、吸水脫鹽材料

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和灌漿前后微巖心取樣分析結(jié)果看，KC-X60具有明顯的吸水脫鹽效果。

責(zé)任編輯：盛朝暉