樂山大佛胸腹部修復(fù)材料劣化特征研究

孫博 申喜旺 楊天宇 劉鴻 崇顯燦

（作者單位：孫博、申喜旺、劉鴻、崇顯燦，中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅省巖土文物保護(hù)特種工程技術(shù)研究中心；楊天宇，樂山大佛風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì)）

一、引言

樂山大佛位于四川省樂山市岷江東岸凌云寺西側(cè)，大渡河、青衣江、岷江三江匯流處。大佛為彌勒佛坐像，坐高59．96 m（通高71 m），是我國現(xiàn)存最大的一尊摩崖石刻造像。大佛開鑿于唐代開元元年（713 年），完成于貞元十九年（803 年），歷時(shí)約九十年。大佛兩側(cè)崖壁和登山道上，有許多石龕造像，多是盛唐作品。1996年12月，峨嵋山-樂山大佛被聯(lián)合國教科文組織列入《世界自然與文化遺產(chǎn)名錄》。

樂山大佛在建成之后的漫長歲月中，歷經(jīng)多次修繕，早期修繕工作主要針對(duì)大佛本體，胸腹部是歷次修補(bǔ)的重點(diǎn)區(qū)域。目前，早期修復(fù)材料出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，多數(shù)開裂破損部位處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，局部區(qū)域已失穩(wěn)剝落，嚴(yán)重威脅大佛下部結(jié)構(gòu)及游客的安全，亟需開展保護(hù)與研究工作。

本文基于巖石力學(xué)理論，從文物材料劣化角度，針對(duì)樂山大佛胸腹部修復(fù)材料劣化現(xiàn)狀，通過聲波測試、卡斯滕量瓶法測試、表面硬度測試和點(diǎn)荷載檢測，結(jié)合室內(nèi)分析試驗(yàn)，對(duì)樂山大佛胸腹部修復(fù)材料病害現(xiàn)狀及劣化特征進(jìn)行分析與研究，為保護(hù)與治理提供科學(xué)支撐。

二、胸腹部修復(fù)材料劣化病害類型及分布特征

受外部環(huán)境因素影響，樂山大佛胸腹部修復(fù)材料劣化程度嚴(yán)重，調(diào)查發(fā)現(xiàn)劣化病害類型主要為早期修復(fù)材料破損，表現(xiàn)形式為空鼓、開裂及片狀、塊狀剝落。

1．空鼓病害

采用無損檢測和人工勘測技術(shù)，對(duì)修復(fù)材料空鼓范圍進(jìn)行調(diào)查。測線布設(shè)間距50cm，其中橫向測線20條，編號(hào)為h1～h20，縱向測線19條，編號(hào)v1～v19。

圖1 勘測測線布置圖

調(diào)查結(jié)果表明，樂山大佛胸腹部開裂殘損區(qū)域空鼓集中分布在大佛胸腹部中上區(qū)域，坐標(biāo)（v2～v18，h1～h14），呈條帶狀，共計(jì)11處。最大起鼓高度為8．7cm，位于大佛左右肩部，h3～h4區(qū)域，有兩處起鼓帶，起鼓高度約2．2cm，總面積約21．66m2。

圖2 空鼓區(qū)域分布圖

圖3 空鼓病害照片

2．開裂病害

按照分布方向分類，開裂裂縫分為橫向裂縫和豎向裂縫兩種，橫向裂縫主要分布在空鼓區(qū)域上下沿，豎向裂縫通常連接上下兩條橫向裂縫。空鼓區(qū)共發(fā)育裂縫52條，其中橫向裂縫30條，豎向裂縫22條。

圖4 裂縫延伸方向分類柱狀圖

按照裂縫寬度分類，樂山大佛胸腹部開裂殘損區(qū)域裂縫主要以微裂縫為主，共計(jì)39條，占到了75%；小裂縫12條，中裂縫1條，占到了25%。

表1 裂縫寬度分類表

圖5 裂縫寬度分類餅狀圖

圖6 開裂區(qū)域照片

3．片狀、塊狀剝落病害

剝落主要集中在1#、2#、4#、5#空鼓及衣襟區(qū)域，1#空鼓區(qū)發(fā)育有3處剝落區(qū)域，第1處剝落區(qū)域呈碎裂狀，面積約0．57m2，表面有修復(fù)層殘留；第2處剝落區(qū)域面積約0．42m2，表面修復(fù)材料已經(jīng)完全剝落，有早期修復(fù)層殘留；第3處剝落區(qū)域已經(jīng)完全剝落，面積0．07m2，下部為早期修復(fù)。2#空鼓區(qū)發(fā)育有1處剝落區(qū)域，面積約1．1m2，表面修復(fù)材料已經(jīng)完全剝落，有早期修復(fù)層殘留。4#空鼓區(qū)發(fā)育有2處剝落區(qū)域，第1處面積約0．05m2，第2處面積0．08m2，表面修復(fù)材料已經(jīng)完全剝落，有早期修復(fù)層殘留。5#空鼓區(qū)發(fā)育有2處剝落區(qū)域，第1處面積約0．01m2，第2處面積0．04m2，表面修復(fù)材料已經(jīng)完全剝落，有早期修復(fù)層殘留。衣襟邊緣發(fā)育有兩處剝落區(qū)域，第1處面積約0．29m2，第2處約0．34m2。

圖7 剝落區(qū)域分布示意圖

圖8 剝落區(qū)域照片

三、基巖及胸腹部修復(fù)材料性能

樂山大佛基巖類型為白堊系下統(tǒng)夾關(guān)組砂巖，主要成分為石英和長石，膠結(jié)類型為鈣、鐵質(zhì)膠結(jié)，有少量泥質(zhì)膠結(jié)。

表2 大佛基巖的物理、力學(xué)性能指標(biāo)

胸腹部區(qū)域早期修復(fù)材料為混合捶灰（由水泥、石灰、炭灰及麻刀等按一定比例拌制而成），混合捶灰作為一種“傳統(tǒng)改進(jìn)型”砂漿。其強(qiáng)度較高、耐水性好，干縮、冷熱驟變等性能與大佛砂巖更接近。

表3 胸腹部修復(fù)材料物理、力學(xué)性能指標(biāo)

四、胸腹部修復(fù)材料劣化性評(píng)價(jià)

樂山大佛胸腹部修復(fù)材料存在劣化問題，早期修復(fù)材料采用石灰類材料為熟石灰，碳化后存在脫水過程，導(dǎo)致孔隙率會(huì)逐漸增加，材料性能降低，后期含硅酸鹽材料同樣存在碳化、次生鈣礬石破壞等現(xiàn)象。為了對(duì)修復(fù)材料劣化特征進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，本文根據(jù)胸腹部修復(fù)層現(xiàn)狀選擇21個(gè)區(qū)域進(jìn)行材料劣化性測試（聲波測試、卡斯滕量瓶法與表面硬度測試）和點(diǎn)荷載檢測（檢測區(qū)域見圖9）。劣化性測試參考磚石質(zhì)文物吸水性能測定表面毛細(xì)吸收曲線法（WW/T 0065-2015）與超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程（CECS 02:88），點(diǎn)荷載檢測參照工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GBT 50266-2013）。

圖9 劣化性測試與點(diǎn)荷載檢測區(qū)域分布圖

1．聲波測試

借鑒工程地質(zhì)領(lǐng)域巖石風(fēng)化系數(shù)FS，采用武漢中巖科技有限公司生產(chǎn)的SYT-5型波速儀，通過聲學(xué)測試及巖石風(fēng)化系數(shù)風(fēng)化程度分級(jí)對(duì)樂山大佛胸腹部附加層材料劣化特征進(jìn)行定量描述，F(xiàn)S計(jì)算公式如下：

上式中VP0—樣品縱波速度(m/s)； VP一風(fēng)化樣品縱波速度(m/s)

聲波測試樣品為修復(fù)材料重塑樣，尺寸為160mm×40mm×40mm，測試三組取平均值；風(fēng)化樣品為大佛胸腹部不同區(qū)域（見圖9）修復(fù)材料，每個(gè)區(qū)域測試三組，取其平均值。測得修復(fù)材料重塑樣VP0為1890m/s，測得大佛胸腹部不同位置修復(fù)材料VP0及其分化程度見表4：

表4 聲波測試結(jié)果

由上表可知，樂山大佛胸腹部附加層材料巖石風(fēng)化系數(shù)FS介于0．17～0．27之間，風(fēng)化程度為未風(fēng)化～弱風(fēng)化。其中未風(fēng)化共計(jì)12處，占57．14%，微風(fēng)化共計(jì)8處，占38．10%，弱風(fēng)化共計(jì)1處，占4．76%。

2．表面硬度測試

采用Equotip R3型里氏硬度計(jì)，測試新鮮修復(fù)材料表面硬度，同時(shí)選取樂山大佛胸腹部21處試驗(yàn)區(qū)域（見圖9），每個(gè)區(qū)域測點(diǎn)3個(gè)，取其平均值，與新鮮修復(fù)材料表面硬度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10。

圖10 表面硬度測試曲線

從硬度值分布曲線圖來看，樂山大佛胸腹附加材料硬度均分布在新鮮捶灰樣品的硬度值之下，因此捶灰材料在該區(qū)域露天環(huán)境條件下，表面硬度存在一定程度的衰減。對(duì)其衰減程度做統(tǒng)計(jì)如表5。

表5 表面硬度測試結(jié)果

從衰減率統(tǒng)計(jì)表來看，樂山大佛胸腹部捶灰材料風(fēng)化后的硬度值衰減率分布在2%～30%之間。通過現(xiàn)場測試及觀察，在表面潮濕、有水痕或有空鼓處的地方其硬度值較低，而硬度值較新鮮樣品較大的幾處位置表面都很干燥，而且通過叩擊其捶灰層與基巖貼合非常密實(shí)。因此水分和空鼓病害對(duì)于捶灰材料的硬度衰減速率有著較大影響。

3．卡斯滕量瓶法測試

卡斯滕量瓶法是最早在歐洲使用的一種測試樣品表面吸水量的方法，它是由德國工程博士卡斯滕先生發(fā)明的。該檢測儀由一個(gè)內(nèi)徑約3cm的鐘形玻璃罩和一根插接的帶有毫升刻度的管子構(gòu)成。測量時(shí)用防水粘結(jié)材料將其粘附于樣品或被測量對(duì)象表面。注水至約10cm水柱然后觀測記錄水柱下降過程。

通過卡斯滕量瓶法定量、半定量地檢測大佛胸腹部修復(fù)材料在一定壓力下的毛細(xì)吸水能力和憎水能力，直觀地反映大佛胸腹部附加層保存現(xiàn)狀。

如表6所示，測得樂山大佛胸腹部附加層的毛細(xì)吸水系數(shù)都小于2，從石質(zhì)文物保護(hù)的角度看，根據(jù)德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DIN52617對(duì)材料吸水性能分級(jí)，可知修復(fù)層均屬于厭水狀態(tài)。

4．點(diǎn)荷載檢測

將修復(fù)材料試樣置于點(diǎn)荷載儀的兩個(gè)球端圓錐之間，施加垂直集中荷載直至試件破壞。根據(jù)樣品抵抗變形直至破壞的能力，估算修復(fù)材料樣品抗壓強(qiáng)度。該項(xiàng)試驗(yàn)方法簡便，便于現(xiàn)場試驗(yàn)，且可對(duì)未加工成型的巖塊進(jìn)行測試，在國內(nèi)有著廣泛使用。對(duì)其樣品強(qiáng)度損失率做統(tǒng)計(jì)分析如表7。

根據(jù)對(duì)新鮮捶灰樣品進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，得到新鮮捶灰樣品的點(diǎn)荷載強(qiáng)度為4．98MPa，通過對(duì)比風(fēng)化前后點(diǎn)荷載強(qiáng)度變化發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化后的強(qiáng)度損失率在8%～35%之間，通過現(xiàn)場采樣和觀察，在表面潮濕、有水痕、有空鼓處并且較為破碎的地方捶灰材料點(diǎn)荷載強(qiáng)度偏低，在較為密實(shí)、完整的地方點(diǎn)荷載強(qiáng)度較高，與之前的硬度測試結(jié)果較為一致。

表6 卡斯滕量瓶法測試結(jié)果

表7 點(diǎn)荷載檢測結(jié)果

5．小結(jié)

通過對(duì)樂山大佛胸腹部修復(fù)材料進(jìn)行表面硬度測試、聲波測試、卡斯滕量瓶法測試和點(diǎn)荷載檢測，結(jié)果表明：

（1）胸腹部修復(fù)層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)部位的捶灰樣品強(qiáng)度損失較大，而與基巖貼合較為密實(shí)處捶灰材料強(qiáng)度損失較小。

（2）長期處于水漬浸泡的部位捶灰樣品強(qiáng)度損失較大，干燥處強(qiáng)度損失較小。

（3）按照選取樣品的層位高度來看，靠近大佛脖子處的強(qiáng)度損失較大，其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)部位面積也較大；越靠近下部捶灰層與基巖貼合越密實(shí)，捶灰層完整度越高，其強(qiáng)度損失也越小。

五、胸腹部修復(fù)材料劣化樣品室內(nèi)分析試驗(yàn)

本文檢測樣品，取自胸腹部早期修復(fù)材料，位置編號(hào)為QY05、QY08、QY15、QY17、QY19（見圖9）。通過礦物成分分析（XRD）、元素分析（XRF）及微觀形貌分析（SEM），查明胸腹部修復(fù)材料礦物組成成分，元素組成成分及微觀結(jié)構(gòu)。

1．礦物成分分析（XRD）

1#-5#樣品的XRD衍射圖譜如圖11所示。

圖11 1#-5#樣品XRD衍射圖譜

1#-5#樣品的XRD半定量分析結(jié)果如表8所示。

表8 1#-5#樣品XRD半定量分析結(jié)果

由表8分析可知，1#～5#樣品的主要礦物組成均為石英、方解石、綠泥石、高嶺石和白云母，1#樣品中石英含量最高，2#～5#樣品中的石英含量逐漸降低；1#樣品中的方解石含量最低，2#-5#樣品中的方解石含量逐漸上升；1#～5#樣品中，綠泥石、高嶺石和白云母的含量基本相當(dāng)。

2．元素分析（XRF）

1#-5#樣品的XRF比較結(jié)果如圖12所示。

圖12 1#-5#樣品XRF比較結(jié)果

由圖12分析可知，1#～5#樣品中SiO2含量最高，CaO次之，其余幾種組分含量較低；1#樣品中SiO2含量最高，2#～5#樣品中的SiO2含量逐漸降低；1#樣品中的CaO含量最低，2#～5#樣品中的CaO含量逐漸上升；1#～5#樣品中，Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3的含量基本相當(dāng)。

表9 1#-5#樣品元素組成數(shù)據(jù)

由表9分析可知，1#～5#樣品的主要元素組成均為SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3，1#樣品中SiO2含量最高，2#～5#樣品中的SiO2含量逐漸降低；1#樣品中的CaO含量最低，2#～5#樣品中的CaO含量逐漸上升；1#～5#樣品中，Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3含量基本相當(dāng)。上述結(jié)果，與XRD半定量分析結(jié)果基本一致。

3．微觀形貌分析（SEM）

1#樣品～5#樣品的SEM圖片如圖13所示。

由SEM結(jié)果顯示，在300x條件下，顆粒呈塊狀，形狀不規(guī)則，顆粒間存在較寬的間隙，顆粒表面的粗糙程度較低；在500x條件下，在視場范圍內(nèi)可以觀察到一個(gè)完整的顆粒，顆粒表面分布有兩種明顯的結(jié)構(gòu)，片層結(jié)構(gòu)、褶皺結(jié)構(gòu)、堆疊結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)較為松散，整體穩(wěn)定性較低；在2000x條件下，視場范圍主要以片層結(jié)構(gòu)和褶皺結(jié)構(gòu)為主，區(qū)域內(nèi)部片層形狀不規(guī)則，片層間結(jié)合較為松散，同時(shí)少量粒狀顆粒分布；在5000x條件下，樣品表面存在少量球狀顆粒，以片層結(jié)構(gòu)、顆粒結(jié)構(gòu)和褶皺結(jié)構(gòu)為主，整體穩(wěn)定性較差。

圖13 1#～5#樣品SEM圖片

六、結(jié)語

本文查明了樂山大佛胸腹部修復(fù)材料劣化病害類型及分布特征，采用材料劣化綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)大佛胸腹部修復(fù)材料進(jìn)行劣化程度檢測，結(jié)果表明：

1．劣化導(dǎo)致修復(fù)材料性能降低，在重力、滲水壓力、植物及微生物等的影響下，樂山大佛修復(fù)層出現(xiàn)空鼓、開裂及剝落病害。調(diào)查可知樂山大佛胸腹部開裂殘損區(qū)域空鼓集中分布在大佛胸腹部中上區(qū)域，呈條帶狀，開裂主要分為橫向裂縫和豎向裂縫兩種，橫向裂縫主要分布在空鼓區(qū)域上下沿，豎向裂縫通常連接上下兩條橫向裂縫，剝落有塊狀和片狀兩種形式，剝落面積介于為0．01 m2～1．1m2之間。

2．樂山大佛胸腹部捶灰材料風(fēng)化后的硬度值衰減率分布在2%～30%之間；由卡斯滕量瓶法測試可知修復(fù)層均處于厭水狀態(tài)；通過對(duì)比修復(fù)材料新鮮試驗(yàn)和胸腹部修復(fù)層點(diǎn)荷載強(qiáng)度變化發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化后的強(qiáng)度損失率介于8%～35%之間。

3．由室內(nèi)分析試驗(yàn)可知，胸腹部修復(fù)材料主要礦物成分為石英、方解石、綠泥石、高嶺石和白云母，元素組成為SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3，微觀結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)較為松散，整體穩(wěn)定性較低。

4．在樂山大佛下階段保護(hù)研究過程中，建議對(duì)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，按照早期修復(fù)材料成分及配比，制備重塑樣品，通過室內(nèi)微觀試驗(yàn)、劣化試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算等，進(jìn)一步揭示樂山大佛修復(fù)材料劣化機(jī)理。