開封繁塔的病害調查與分析

代琪

摘 要：我國有著悠久的歷史文化，至今仍保留著與這些文化同時期的、具有歷史價值的磚石類文物，但它們出現了嚴重的病害，令人擔憂。文章以開封繁（讀音Pó）塔為例，通過對繁塔進行實地調查、取樣并結合相關文獻，歸納出繁塔的病害種類并分析病害機理。同時，文章針對繁塔的典型病害設計出前期模擬實驗方案，并在后期的實驗操作中根據實驗結果以及實驗得出的相關數據對繁塔的病害進行更為深入的分析，從而提出相應的保護方案。

關鍵詞：磚石類文物病害;機理;模擬實驗;保護方案

我國有著悠久的歷史文化，至今仍保留著大量與這些文化同時期的磚石類文物。但是經過漫長歲月的洗禮，它們中有許多文物不僅遭受著物理、化學、生物風化等自然原因導致的病害侵蝕，同時隨著經濟及現代工業的不斷發展，這些磚石類文物也遭受著酸雨、空氣污染的侵害以及人為破壞。導致文物所蘊含的歷史、文化等價值受到不同程度的損毀，給我國文物及文化的發展造成了無法彌補的損失。

為了加強對磚石類文物的保護力度，我們需要對磚石類文物病害進行分類調查，并分析出病害產生的原因和機理，從而達到更有針對性地保護磚石類文物的目的。

文章以開封繁塔為例，通過深入繁塔進行調查取樣并結合相關文獻，對繁塔的病害進行分類與歸納以及對病害機理進行分析。此外，作者對于繁塔出現的典型病害設計出相應的模擬實驗方案并在后期的實驗操作中對繁塔的病害進一步分析，以便為繁塔的保護提供切實可行的方法。

1 國內磚石類文物病害機理概況

我國疆域廣闊，不同地域之間由于所處地理位置不同，從而導致氣溫、海拔、降水、日照時間等因素不同。這些因素的差異同樣也導致了不同地域之間磚石類文物病害機理的差別，下面將根據相關案例，劃分各地域之間典型的文物病害及其機理。

通過《圓明園如園遺址石質文物病害調查研究》①《承德普佑寺石質文物病害機理研究》②等代表北方地區磚石類文物病害的研究成果，可以歸納出北方磚石類文物病害主要有：機械損傷、表面風化、生物病害、表面污染及變色。而造成病害的主要原因有：人為破壞、地下水的影響、生物及微生物的影響以及北方溫差較大及降水分布不均導致磚石類文物內部結構發生變化。由于北方污染較嚴重、空氣質量較差，空氣中的二氧化硫、二氧化碳等物質遇水變成相應的酸，這些酸性物質使文物表面產生酥粉，同時也會侵蝕文物內部使其內部結構發生變化。

結合《浙江古塔的病害研究》（2018）和《桃渚城城墻病害初步調研與保護對策探討》③等南方地區磚石類文物病害的研究成果，可以分析出南方地區磚石類文物主要病害有生物病害、表面風化等。而造成這些病害的原因主要和南方的亞熱帶或熱帶季風氣候有關，該氣候導致南方地區降水量大，溫暖濕潤。除此之外還與東南沿海臺風等自然災害有關。由此可以看出，導致南方地區磚石類文物出現病害的原因有許多，其中水患是重要原因，水自身運動、水帶來的鹽遷移以及潮濕的環境導致眾多病害發生。

以《寧夏中衛姚灘段長城四方墩的病害調查》④《甘肅永泰古城墻體的病害調查及保護策略》⑤為代表的西北地區磚石類文物病害的研究成果可以揭示西北地區病害因素主要是由于當地的溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大、日照時間長等因素以及植被覆蓋率少、風沙頻繁、地震等災害引發了一系列病害。

通過上述的一系列磚石類文物病害產生的機理，可以在一定程度上為分析出繁塔的病害機理奠定相關理論基礎，并提供與病害情況相符合的案例。現總結歸納出導致我國各地磚石類文物出現病害有如下因素。

1.1 自然因素導致的病害

自然因素包括文物所處自然環境，如溫濕度、降水、自然災害、日照時間長短、鹽結晶、酸雨等綜合因素。①其中自然災害主要包括地震、臺風、沙塵暴、洪水等。我國東部沿海地區磚石類文物受到臺風、洪水等災害的影響較大，西部地區受到沙塵暴、地震等災害的影響較大。此外，溫濕度以及降水的周期性變化不僅對文物外表產生損害，如出現表層剝落等現象，也對文物內部結構產生影響，如墻體膨鼓等。

1.2 生物因素導致的病害

生物病害主要包括動、植物病害，如蜂、鼠類動物在文物墻體上打洞;植物根系深入磚石縫隙，增加磚石的負荷，加劇了對磚石類文物的破壞;地衣、苔蘚等植物的生長在文物表面以及真菌等微生物在文物內部滋生，這些生物會在一定程度上對磚石類文物造成破壞作用。生物因素在一程度上也受到自然因素的影響，如溫濕度的變化以及降水量直接影響生物的數量以及生長環境。

1.3 人為因素導致的病害

人為因素主要包括工程建設、道路施工等對文物的破壞作用②，如在西北地區，當地居民在磚石文物墻基處挖窯洞儲物，利用磚石墻體充作羊圈造成磚石墻體失穩、坍塌。另外，還包括人為污染、書寫、刻畫及煙熏等造成的磚石類文物污染現象及文物表面變色、不正當涂刷。③人為因素在一定程度上與當地文物保護及管理部門監管不及時、不到位有關。同時也與當地居民文物保護意識淡薄，缺乏對文物保護制度、政策和相關法律知識的學習與教育有關。

1.4 多種因素結合導致的病害

①自然因素與人為因素結合：裂隙、空鼓等;

②自然因素與生物因素結合：表面風化（由于長期風吹日曬、雨水沖刷、生物破壞等多種作用），包括表面粉化、可溶鹽結晶④等;

③多種自然原因結合：溶蝕等;

④有些病害類型屬于文物自身材質屬性所特有的，如陜西建安堡由于墻體自身屬性導致風化和酥堿等病害的出現⑤。

通過對我國各地區磚石類文物病害及其機理的分析并閱讀大量有關磚石類文物病害的文獻，可以看出我國各地磚石類文物病害有如下特點：

①導致磚石類文物發生病害的原因主要有自然、生物、人為因素以及各種因素的結合。

②不同區域、不同材質的文物產生病害的原因各有差異，這與該地特有的因素及文物自身條件有關。

③雖然部分地區在進行磚石類文物病害調查時使用現代科技手段進行了系統、全面的檢測與調查，但是仍有大部分地區的文物病害調查亟須相應現代科學技術手段的支持。此外，也需要當地文物部門及政府在資金方面的支持。

④雖然各地對于相關磚石類文物病害的調查比較全面，但缺乏與其他外部地區的對比及本地區不同區域之間的匯總與歸納。

⑤部分地區尚未對本地區特有的文物病害出臺具有針對性的解決方法，部分地區居民文物保護意識較弱，應加大文物保護宣傳力度。

2 開封繁塔概況及保護環境

繁塔位于河南省開封市，始建于北宋開寶七年（974），為全國重點文物保護單位，是中原地區現存最早的一座宋代佛教建筑⑥。繁塔現存三層，三層之上加筑頂峰，通高36.68米，塔基面積501.6平方米。繁塔塔身內、外鑲嵌近7000塊佛磚，共108種圖案。繁塔內保存著許多珍貴的石刻，其中北宋石刻197方，清代石刻2方，共199方。

繁塔地處河南省中部偏東區域，是黃河沖積平原的頂端，氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬寒夏熱，四季分明，年平均氣溫14.2攝氏度，年均降雨量631.1毫米，降水主要集中在夏季，冬季降水量較少。

開封市空氣質量指數較差，空氣污染嚴重，大氣顆粒物（TSP、PM10）近十年年均污染損害指數最大，達到中度污染。開封市空氣污染以塵和二氧化碳為代表的煤煙型為主。⑦主要污染因素有：氣候和人為原因造成的風沙揚塵、建筑施工塵，燃煤污染，機動車尾氣污染和飲食業煙塵油煙污染等。

總體來看，降雨的季節變化以及較大的溫差與過度的空氣污染均不利于繁塔的戶外保存。

3 繁塔現存主要病害

磚石類文物病害種類眾多，繁塔也不例外。由于繁塔處于露天狀態，在很大程度上受到環境因素的影響，隨著時間的積累，繁塔存在非常嚴重的斷裂、破碎、表面風化、表面污染及變色等現象。地下水、生物及微生物也對繁塔造成了破壞。此外，由于開封位于黃泛區，黃河水泛濫也對繁塔造成了損害，其下部大部分被泥沙淹沒，致使繁塔的高度降低，塔基下面的建筑情況也很難看到。除了受到自然因素的破壞外，戰爭也使繁塔遭受了一定程度的破壞，如今塔身內還存有一顆日軍炸彈。

繁塔病害的種類、所處位置、表現以及特征見表1。

4 繁塔現存主要病害機理分析

大部分的磚石類文物由于長期處于室外，遭受到不同程度的侵害，導致磚石類文物產生病害的因素主要有磚石自身屬性、周圍環境和人類活動等因素。

4.1 表層片狀剝落

造成繁塔出現表層片狀剝落的原因主要有以下幾點：

①自繁塔建成至今，共經歷六十余次大大小小的地震①，這使得繁塔內部磚石表層出現剝落現象。

②在繁塔北部，距離它250米處是隴海鐵路，每天來往列車頻繁，對繁塔產生振動影響，在一定程度上加劇了繁塔表層片狀剝落。

③開封氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬寒夏熱，溫度周期性變化大，夏季氣溫高使得繁塔磚石膨脹，冬季氣溫低使其收縮，長期在凍融的作用下造成表層剝落的狀況。

4.2 表面泛鹽

繁塔二層內壁大部分磚石表面出現泛鹽情況，主要是由于繁塔壁磚之間空隙率較大，繁塔內部溫度低、空間狹小不利于通風，濕度大，空氣中水蒸氣較多，在水的侵蝕下，致使大量可溶鹽在繁塔內部表面富積，通過循環結晶作用破壞表面結構使繁塔表面發白泛鹽。

4.3 表面粉化剝落

繁塔二、三層內壁表面粉化剝落現象嚴重，主要是由于開封氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬寒夏熱，溫度周期性變化大，長期受到凍融作用以及空氣中的水蒸氣、雨水和地下水的影響。此外，可溶鹽在這些磚石表面堆積使得繁塔內部磚石表面出現粉末狀物質，并且粉化部分積聚程度小，脫落速度快。

4.4 表面溶蝕

繁塔三層內壁表面溶蝕嚴重，主要原因在于開封空氣污染嚴重且以煤煙型為主，空氣中碳、硫等物質含量較大，導致開封雨水pH值較小。開封市酸雨出現主要集中在2～11月，春季和秋季的酸雨強度最大，夏季次之，冬季最小。開封市出現pH值小于5.6以下的酸雨的次數最多，pH值小于4.5的較強酸雨次數略少一些，pH值小于4.0以下的強酸雨的次數最少②，開封市強酸雨出現次數呈逐年增加的趨勢。正因如此，每當酸雨來臨時，繁塔三層靠近外部的頂洞附近受酸雨腐蝕影響較大，經年累月使得繁塔表面溶蝕情況嚴重。

4.5 空鼓

繁塔三層內部空鼓現象嚴重，主要是由于開封氣溫周期性變化大，繁塔自建造以來經歷了數百年的凍融作用，在一定程度上使得磚石表面膨脹發生空鼓現象。除此之外，在早先修復的過程中，由于材料有限及對文物保護的認識不足，采用了大量水泥砂漿作為修復材料，使得這些修補的部分已經出現大面積空鼓、開裂現象。

4.6 淺表性裂隙

繁塔二、三層內部薄弱夾雜帶附近出現淺表性裂隙現象，原因在于繁塔內部空氣濕度大，且空間狹小通風性較差，下雨時水蒸氣滯留在其內部不易揮發;內部潮濕的環境以及大量的水蒸氣使得內部磚石在水的作用下易造成片層間膠結質流失;過多水分侵入磚石層里，冬季氣候嚴寒時極易發生融凍破壞作用，在冰劈的作用下致使磚石表面發生片狀開裂現象，嚴重時裂隙相互交切發生大面積龜裂，對整個繁塔的穩定性構成威脅。

4.7 機械裂隙

繁塔外部塔身出現機械裂隙，主要原因在于在繁塔建造的幾百年間，常年遭受戰爭及人為的破壞。歷史上繁塔經歷了60余次地震，黃河水的泛濫使得繁塔地基沉降，在外力的擾動下塔身外部受力部位發生開裂以及斷裂現象。

4.8 表面污染與變色

繁塔早期管理松懈、相關保護制度不完善使得繁塔內部人為涂鴉、書寫、刻畫現象嚴重，歷史上繁塔遭遇過數次大火的焚燒。近代，附近居民出于對繁塔內部佛像的敬畏，在繁塔內部燒香祈福，造成內部磚石受到煙熏而變色等污染現象明顯。

4.9 生物病害

開封四季分明，光照充足，氣候溫和，適合植物生長。繁塔處于露天環境中，風雨中帶來的灰塵和昆蟲、鳥類活動帶來的豐富的有機物附著在塔身，加之適宜的氣候條件，使得野草和樹木生長在塔身，鳥類在塔檐筑巢。表面生長的植物會對繁塔產生根劈破壞作用，而其在生長過程中通過新陳代謝產生的大量有機酸堿也會對繁塔造成腐蝕破壞作用，對塔本身造成了嚴重的損害。

5 典型病害機理的模擬實驗方案

通過上述對繁塔病害的歸類及其機理的分析中可以看出，繁塔病害眾多，其中大部分病害產生的原因與可溶鹽的侵蝕以及溶蝕作用有關。下面筆者將針對這兩種典型病害的機理設計出前期模擬實驗，并通過后期實驗操作得到的實驗結果以及相關數據對繁塔的病害進行更深入的分析。

5.1 可溶鹽模擬腐蝕實驗

可溶鹽模擬腐蝕實驗需要通過可溶鹽浸泡和鹽霧老化實驗來模擬繁塔的腐蝕環境，從而驗證可溶鹽對繁塔的破壞，并對部分樣塊用幾種不同的表面封護劑做表面封護處理，對比效果。具體實驗步驟如下：

①實驗前需對繁塔進行實地取樣，采取繁塔基體材質并將其進行編號，之后進行密封帶回實驗室，用偏光顯微鏡和X-射線衍射儀對繁塔基體材質及表面腐蝕產物進行分析，得出繁塔基本材質的主要成分。

②提取與開封繁塔質地基本相同的巖石樣品，利用切割打磨機將其切割成尺寸相同的若干樣塊，將其表面打磨平整并進行編號。

③對樣品進行表面除塵，并用電子秤對樣塊進行原始重量測量和亮度測試。

④配制占繁塔石質文物表面可溶鹽主要成分的鹽溶液，對石材本體樣品及表面含鹽風化物進行石材表層及表面風化物含鹽量檢測。

⑤配置不同濃度的封護溶劑對樣塊的表面進行涂刷封護。待樣塊表面溶劑基本滲入后，再進行涂刷，重復幾遍后放置讓其陰干。

⑥配置不同濃度的標準鹽溶液，將一部分樣塊放入該溶液中，使得樣塊被半浸泡，之后密閉容器。選取剩余未進行實驗的樣塊進行鹽霧老化實驗和空白浸水實驗。

⑦浸入鹽溶液一周后取出試樣，并在室溫下陰干至重量不再改變，測量其重量及色度。重復以上浸泡和鹽霧老化過程6個周期，在每個周期結束后測量其重量及色度。

⑧將腐蝕樣塊放置于材料試驗機下，給試樣施加負荷并記錄試樣破壞時的載荷值。

⑨通過對比實驗前后測量的數據，觀察可溶鹽浸泡實驗變化以及鹽霧實驗效果，從而得出結果并進行分析。

5.2 凍融模擬實驗

5.2.1 實驗過程

提取與繁塔質地基本相同的磚石樣品，利用切割打磨機將其切割成尺寸相同的若干樣塊，將表面打磨平整，之后用清水洗凈試樣，并將其置于與其保存環境最高溫度相同的清水中浸泡48小時，取出后放入與其保存環境最低溫度相同的冷凍箱內冷凍4小時，再將其放入清水中融化4小時，反復這一凍融過程25次。對陰干后的樣品進行拍照、重量以及強度變化的測量。

5.2.2 尋找出現明顯剝落現象的樣品，并找出強度下降明顯的樣品

通過得出的結果以及測試的相關數據分析出繁塔磚石材料的特點以及應采取的相應的保護措施。

5.2.3 預期實驗結果

結合繁塔的腐蝕產物和開封當地大氣環境，可以得出導致繁塔出現病害的主要因素。通過實驗室模擬繁塔腐蝕環境以及人工加速繁塔老化實驗，經過可溶鹽腐蝕和凍融兩種實驗后得出的相關數據對繁塔的病害進行更加精確的分析，據此可以給出相應的保護方案。

6 繁塔病害的保護建議

①通過對繁塔產生的病害進行相應的機理分析，從中可知繁塔一部分病害產生的原因主要與氣候、大氣污染物以及災害等有關，所以應定期對繁塔所處環境溫濕度變化、大氣污染物成分以及災害性天氣進行監測，以便及時掌握這些因素對繁塔的影響程度。

②針對繁塔出現的生物病害，應進行日常性維護保養，及時檢查并清理繁塔表面的動植物、微生物和灰塵等沉積物，必要時進行殺蟲、殺微生物處理，對于墻體上生長的一些草本植物，可使用滅草劑等殺死植株。對于大型植物，如樹木，由于其根莖可能已經深入繁塔內部，故應該留在墻體內部不做處理，防止對墻體結構造成更大的破壞。

③對于機械性損傷、裂隙等病害應提前采取有效防御措施，最大限度消除繁塔受到更大損傷的隱患。

④在保持繁塔歷史原真性前提下，對病害表面泛鹽嚴重的部位進行脫鹽處理并及時加固、修補、封護。

⑤使用滲透性能強、透氣性能好、耐酸堿的表面防護材料，阻止或減少水的滲透和污染物的化學侵蝕。

⑥需要開封政府以及文物部門進行資金支持，使用現代科技手段對繁塔病害進行系統、全面的檢測與調查。

⑦可以借鑒其他地區病害治理的成功案例并結合繁塔自身屬性制訂一套適合繁塔的病害防治方案

⑧加大文物保護宣傳力度，加強當地居民文物保護意識，同時提高文物修復人員的修復技術。

7 結語

筆者通過對繁塔進行實地考察并取樣，總結歸納出繁塔主要有以下九種病害：表層片狀剝落、表面泛鹽、表面粉狀剝落、表面溶蝕、空鼓、淺表性裂隙、機械裂隙、表面污染與變色、生物病害。

筆者結合繁塔的歷史以及開封的自然、人文環境和其他因素，大致分析出繁塔病害的主要機理，并從中發現可溶鹽的侵蝕和凍融作用為繁塔病害產生的主要原因。針對這兩種典型的病害機理設計出可溶鹽模擬腐蝕實驗和凍融模擬實驗的實驗方案，下一步筆者將對這兩個實驗進行操作，并通過實驗得到的相關數據以及相關文獻，對繁塔的病害進行精確分析，制定準確的保護方案。

文中難免有疏漏和不當之處，請各位讀者批評指正。