古建筑琉璃瓦件的加固保護研究

張玲

（太原市文物考古研究所，太原030009）

1 引言

琉璃瓦，作為一種能充分體現古建筑等級的材料，在我國古建筑及園林建筑中有著十分重要的地位[1]。但很多建筑因長期經受四季溫差、雨淋暴曬、凍融等自然因素的侵擾，以及大氣中有害氣體與諸多因素的腐蝕，造成琉璃胎質酥堿、松散，釉層脫落等多種病害。瓦件病害嚴重時會造成建筑屋面漏雨，直接危害文物的安全。對于瓦件進行經常保養(yǎng)維護，可延長文物本體壽命，最大限度地保留文物原有的歷史信息，避免病害延伸擴大，故瓦件的加固保護尤為重要[2]。

本次采用Paraloid B72加固劑對古建筑屋面琉璃瓦件進行加固保護，防止琉璃胎質酥堿、松散、釉層脫落等現象，探索古建筑琉璃瓦件的加固保護技術的路線和方法。

2 試驗性保護的緣起

大關帝廟是太原市現存規(guī)模最完整、最大的一座關帝廟。2003年，探索性使用Paraloid B72加固劑對琉璃瓦件的酥堿、斷裂、表面加固，進行了試驗性保護修復工作。目前，加固后的大關帝廟的琉璃瓦件現狀較為穩(wěn)定，但與2003年加固時比較，其顏色變深，成為此次進一步系統(tǒng)化研究的重要初級參考數據，亦在保護的方法與材料、縱向時間等方面，為本課題的可行性，提供了被實踐檢驗過的具有前瞻性的有力旁證。

3 加固實驗的試驗目的

此次實驗，分別從太原晉源區(qū)明秀寺、太原府城文廟、尖草坪區(qū)趙家山龍王廟3處古建筑選取明、清時代琉璃瓦件樣品，病害種類包括胎體酥堿、殘缺、表面脫釉、斷裂等。實驗的目的是確定琉璃瓦件斷裂的對接黏結劑、酥堿瓦胎的加固材料、瓦件小面積殘缺的修補材料、表面釉層脫落的修補方法等。

此次對太原晉源區(qū)明秀寺、太原府城文廟、尖草坪區(qū)趙家山龍王廟3處琉璃瓦件的實驗保護，經過篩選，初步確定選擇Paraloid B72作為加固劑及補全材料的黏結劑。主要原因：一是在琉璃保護中盡可能減少材料的種類，有利于材料間結合力的提升；二是3處文物建筑琉璃瓦件保護后，經過十多年的時間考驗，這種材料比較適合太原地區(qū)琉璃的加固與保護；三是Paraloid B72材料是具有無色、透明、強度大、易調色且防水性好等優(yōu)良特性的材料[3]。

4 加固實驗過程

4.1 明秀寺

取樣明秀寺孔藍琉璃筒瓦1件。該樣品存在胎體酥堿、表層胎體輕度殘缺、釉層脫釉等病害。

4.1.1 實驗方法

1）琉璃的清洗與脫鹽：（1）清洗琉璃表面污塵；（2）將清洗干凈的琉璃浸泡在蒸餾水中，每隔2 h后進行替換，反復替換8次；（3）將脫鹽的琉璃徹底晾干。

2）琉璃表面脫釉的加固：將此樣品瓦件分為3個區(qū)，用丙酮溶解Paraloid B72分別配制濃度為10%、20%、30%的Paraloid B72加固劑。方法：由注射器滴入等量不同比例的加固劑，每次間隔10 min共滴入5次。24 h后進行簡單的測試，初步確定加固后的強度基本滿足。

3）補全：因瓦胎存在不同程度的殘缺，必須進行適當的補全。補全材料高嶺土＋顏料；黏結劑為2種：一種是濃度為10%的Paraloid B72，另外一種是丙烯顏料，補全時配置與瓦件原色接近的顏色直接涂刷。嘗試性對貓頭上半部分進行了實驗性修復，因貓頭為浮雕，調制較稀膏狀對其龍紋細微部分進行了補全。

4）表面封護材料的確定：補全修復后用丙烯顏料直接涂刷，顏色相近，但光澤效果不甚理想，較為死板；于是在其表層再涂1層濃度為30%的Paraloid B72加固劑進行封護，以增加其亮度，效果較好。

為達到補全后表面封護的目的，將瓦面等量分為3個區(qū)域進行封護。第一個區(qū)域在補釉后用濃度為5%的Paraloid B72加固劑進行封護，再用砂紙進行打磨，使表面光滑；第二個區(qū)域在補釉后用濃度為3%的Paraloid B72加固劑進行封護，再用砂紙進行打磨，然后配置與原色接近的丙烯顏料進行涂刷；第三個區(qū)域在補釉后用濃度為2%的Paraloid%B72加固劑進行封護。

初步結果：第一個區(qū)域經打磨后，瓦面顏色部分脫落、顏色變淺，效果不佳；第二個區(qū)域最接近瓦件原色，效果明顯；第三個區(qū)域補釉后用濃度為2%的加固劑進行封護后顏色變深，效果差。

4.1.2 明秀寺實驗結論

1）明秀寺筒瓦存在酥堿、脫釉等病害，通過實驗可知，修復前必須進行深度徹底的脫鹽處理。

2）酥堿的加固初步確定使用濃度為20%的Paraloid B72即可滿足其強度。

3）對于酥堿程度較輕、胎體比較穩(wěn)定、脫釉的瓦件可直接配置與原色接近的丙烯顏料進行涂刷，效果明顯，再用濃度為3%的Paraloid B72進行表面封護，效果更佳。因瓦件本身顏色不均勻，故在配色時需反復實驗，調制多種深淺程度不同的丙烯顏料試涂，顏色調至最佳時再進行涂刷，否則，瓦面會出現“花斑”，影響整體效果。

4.2 趙家山龍王廟

取樣趙家山龍王廟筒瓦3件。該樣品存在琉璃胎體脫釉病害。

4.2.1 實驗方法

1）琉璃的清洗與脫鹽：（1）清洗琉璃表面污塵；（2）將清洗干凈的琉璃浸泡在蒸餾水中，每隔2 h后進行替換，反復替換6~10次；（3）將脫鹽的琉璃晾干。

2）琉璃瓦件的加固：（1）將此3件樣品瓦件分為2組，2件脫釉瓦用環(huán)己酮和Paraloid B72分別調配成濃度為10%、20%的溶液，由注射器等量滴入不同比例的加固劑，加固3~5次；（2）24 h后進行簡單的測試，初步確定加固后的強度基本滿足。

4.2.2 趙家山龍王廟實驗結論

（1）趙家山龍王廟3件筒瓦主要病害為脫釉，通過實驗可知，修復前必須進行深度徹底的脫鹽處理；（2）經分組實驗可知，濃度為10%的Paraloid B72較為適合脫釉瓦件的加固，可滿足其強度；（3）因瓦件胎質相對穩(wěn)定，濃度為20%的Paraloid B72加固劑濃度偏高，不適合此處脫釉瓦件的加固；（4）對于僅表層脫釉的瓦件可直接配置與原色接近的丙烯顏料進行涂刷，效果較好。

4.3 太原府城文廟

取樣太原府城文廟孔藍琉璃筒瓦2件。其中，1件樣品為脫釉，另1件樣品為斷裂。

4.3.1 實驗方法

1）脫釉瓦的加固方法：清除表面堆積的雜物，用表面活性劑適度濕潤后由蒸餾水進行清洗污塵，并進行脫鹽處理。因該樣品胎體穩(wěn)定，故采用調制丙烯顏料直接在脫釉處涂刷。

2）斷裂瓦的加固方法：徹底清洗琉璃表面的污塵，脫鹽處理，晾干。反復吻合后由濃度為50%的Paraloid B72對接。48 h后，調制丙烯顏料在對接裂縫處涂刷。將對接后的琉璃瓦浸泡在水中7 d，對其防水性能進行測試，第5 d時，接縫安然無恙，僅表面封護部位出現氣泡現象，說明封護較薄，易與水發(fā)生反應，產生氣泡，屬正常范圍內。

4.3.2 太原文府城廟實驗結論

（1）對于胎體穩(wěn)定的脫釉琉璃瓦件，可根據實際情況直接采用調制丙烯顏料涂刷2~3次的方法，效果較佳。（2）經過防水實驗，對接加固好的瓦件浸泡水中10 d后仍然接縫穩(wěn)定，由此可知，加固黏結劑采用濃度為50%的Paraloid B72較為合適，方法可行。

5 紫外老化實驗

為了模擬陽光等自然損毀條件下古建筑琉璃瓦件的變化情況，委托西北大學文化遺產學院——文化遺產研究與保護技術教育部重點實驗室，對經Paraloid B72加固保護后的琉璃瓦件樣品，采用和太陽光具有良好相關性的紫外光源分組對其進行照射測試，以確定測試材料的耐光性和耐水性，取得樣品變化的相關數據及實驗結論。具體如下。

5.1 實驗方法及條件

琉璃瓦件樣品5件，將實驗樣品琉璃瓦置于6只UVA紫外燈下輻照，輻射最大波長為365 nm，測量點距燈高度約55 cm、平均紫外線輻照度為53μW/cm2。每照射5 d后采用X-riteSP60分光光度儀（美國愛色麗生產）測量各點顏色參數，根據其變化來考察修復材料的耐光性能。實驗樣品累積共經歷了15 d的紫外輻照。

對4號樣品，紫外燈輻照5 d后，泡水3 d、再陰干2~3 d（泡水及陰干過程其余樣品停止輻照），此為1個周期。本實驗進行了3個周期的老化和檢測，以此考察修復材料的耐水性能。

實驗中，將每個琉璃瓦樣品的另一半用錫箔紙包裹作為空白對照。

實驗過程中用德國Testo175-H2型溫濕度計實時測量環(huán)境溫濕度，每半小時記錄1次數據。其中溫度平均值為20.2℃，最大值為20.6℃，最低為18℃；相對濕度平均值為49.19%，最大值50.5%，最小值47.8%。

5.2 實驗結果

1）耐光性考察：實驗中選擇與太陽光相關性好的UVA紫外燈對樣品進行輻照，輻照后樣品的顏色參數結果（見表1）。

表1 紫外輻照前、輻照5d、10d、15d后樣品L、a、b值及色差值△EμW/cm2

續(xù)表1μW/cm2

續(xù)表1μW/cm2

表1中L、a、b為顏色參數的測量值，ΔE為導出值。其中，L值為明度相關量，a值為紅度/綠度的相關量，b值為黃度/藍度的相關量；ΔE為色差值，反映顏色的變化程度。ΔE值的計算公式如下：

ΔE與顏色變化程度或顏色差異之間的關系見表2。

表2 ΔE與物質顏色變化或顏色差異的關系

根據實驗數據對比表2中的對應關系可以看出：經過15 d紫外線輻照后，5件琉璃瓦樣品顏色變化大多數都在輕微或微量范圍內，肉眼無法感覺顏色的變化。表明，修復材料經15 d UVA紫外燈輻照后是穩(wěn)定的。

2）耐水性考察：4號樣品經5 d紫外光照射后，泡水3 d，再陰干2~3 d，共經歷了3個這樣的周期。實驗觀察到：（1）接縫依然牢固，表明黏結材料性能良好；（2）泡水后表面部分補全位置鼓起氣泡，待琉璃瓦陰干后氣泡變小或消失。

6 黏結琉璃瓦抗拉檢測實驗

6.1 概況

為檢測加固保護后的琉璃瓦件的強度，委托太原理工大結構實驗室，對經Paraloid B72加固保護后的琉璃瓦件樣品，進行加固強度檢測實驗，取樣太原府城文廟斷裂黏結筒瓦樣品，對其進行了拉伸實驗，以測試其黏結效果。

6.2 實驗依據

本次實驗根據試件實際使用情況，參考GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行。

6.3 實驗設備

實驗采用WDW-100微機控制電子萬能實驗機，實驗機測量范圍0~1 000 kN，實驗力測量分辨率1/200 000。

6.4 實驗構件參數

試件長l為295mm，瓦片截面外徑180mm，瓦片厚度25 mm。

6.5 實驗過程及結果

根據實驗機情況及文物試件的不可破壞性，不能加載致使試件破壞，將試件通過夾具有效固定于實驗機上下夾頭（見圖1），實驗曲線如圖2、圖3所示。表3為拉伸實驗結果。

圖1 黏結琉璃瓦拉伸實驗中

圖2 試件荷載-變形實驗曲線

圖3 荷載-時間實驗曲線

表3 拉伸實驗結果

從圖2可以看出，本次實驗加載到7.75 kN，最大的位移值為0.528 mm，曲線的起始段有0.4 mm的夾具滑移值，試件受荷達到7.75 kN的縱向拉伸位移值Δl應為0.028 mm。從圖3可以看出，試件經過30 s即可達到7.75 kN。為了不使試件破壞，實驗中沒有對試件繼續(xù)加載，只在此荷載值上維持了總共300 s的時間（5 min），試件沒有出現破壞現象。

試件截面大致為半圓環(huán)，由前述試件尺寸計算可知試件截面積約為：

式中，D為圓環(huán)外徑；d為圓環(huán)內徑；l為試件長度。

由此可得，本試件可承受的抗拉應力實測值為2.1 MPa，在維持荷載5 min的情況未出現膠黏劑接縫處及其他任何部位的破損和破壞的狀況。

7 分析與結論

1）存在酥堿病害的琉璃瓦件，修復前必須進行深度徹底的脫鹽處理；酥堿的加固基本確定使用濃度為20%的Paraloid B72即可滿足其強度；對于酥堿程度較輕、胎體比較穩(wěn)定的瓦件可直接配置與原色接近的丙烯顏料進行涂刷，效果明顯，再用濃度為3%的Paraloid B72進行表面封護，效果更佳。

2）主要病害為脫釉的琉璃瓦件，修復前必須進行深度徹底的脫鹽處理；經分組實驗可知，濃度為10%的Paraloid B72較為適合脫釉瓦件的加固，可滿足其強度；對于胎體穩(wěn)定的脫釉琉璃瓦件，可根據實際情況直接采用調制丙烯顏料涂刷2~3次的方法，效果較佳。

3）主要病害為斷裂的琉璃瓦件，經過防水實驗，對接加固好的瓦件浸泡水中10 d后仍然接縫穩(wěn)定，可知加固黏結劑采用濃度為50%的Paraloid B72較為合適，方法可行。

4）對Paraloid B72加固保護后的琉璃瓦件樣品，采用和太陽光具有良好相關性的紫外光源分組對其進行照射，經過15 d紫外線輻照后，5件琉璃瓦樣品顏色變化大多數都在輕微或微量范圍內，肉眼無法感覺顏色的變化。表明，修復材料經15 d UVA紫外燈輻照后是穩(wěn)定的。主要病害為斷裂的琉璃瓦件樣品經5 d紫外光照射后，泡水3 d，再陰干2~3 d，共經歷3個周期后接縫依然牢固，表明黏結材料性能良好。

5）對經Paraloid B72加固保護后的琉璃瓦件樣品，進行加固強度檢測實驗。取樣太原府城文廟斷裂黏結筒瓦樣品，對其進行了拉伸實驗，可承受的抗拉應力實測值為2.1 MPa，在維持荷載5 min的情況未出現膠黏劑接縫處及其他任何部位的破損和破壞的狀況，表明黏結材料強度性能良好。

通過分組實驗、對比分析、反復研究，基本確定Paraloid B72用于古建筑琉璃瓦件保護加固較為可行。對琉璃瓦件采用Paraloid B72進行加固保護，有效地防止了琉璃胎質酥堿、松散、釉層脫落，使其耐光性、耐水性得以增強，從而抑制或減緩了水的侵蝕，延長了瓦件的使用時間，保護效果較好。不足的是，經Paraloid B72加固保護后的琉璃瓦件光澤度不夠，且隨著時間的推移，瓦面顏色逐漸加深，仍需長期觀測。任何修復材料都有其局限性，其修復效果仍有待于在實踐中得以進一步驗證。

此次實驗，旨在探索研究適合山西地區(qū)琉璃瓦件保護的材料與方法，為山西古建筑琉璃瓦件的加固保護提供借鑒。