輕質補塑材料在館藏彩塑修復中的適用性研究

張彬

（敦煌研究院，甘肅 敦煌 736200；甘肅莫高窟文化遺產保護設計咨詢有限公司，甘肅 敦煌 736200）

0 引言

古代彩塑，亦稱泥塑，是我國古代較為獨特的雕塑形式，是造型藝術與繪畫藝術完美結合的產物，更是經過歷史長期發展遺留下來的文化瑰寶，距今有四千年之久的歷史，兩漢以后隨著道教興起和佛教傳入以及多神化的供奉活動，社會上的道觀、佛寺、廟堂直接促進了泥塑偶像的需求和泥塑藝術的發展，到唐代發展到頂峰①。宋元時期為泥塑藝術的普及期，到了明清，泥塑進入了大眾化時期②。然而近現代以來，由于社會建設工程的發展和古建筑、石窟寺因自然因素的坍塌，很多彩塑被迫搬遷至博物館，經過文物修復工作者的修復加固最后成為館藏文物。館藏彩塑因其可移動的特性，較之不可移動的石窟寺、古建筑彩塑更能直觀反映出彩塑的歷史、藝術和科學價值，因此開展館藏彩塑保護研究工作具有重要意義。

館藏彩塑中木骨泥塑是數量最多的彩塑類型，其最常見的病害就是斷裂和缺失（破損）。存有病害的木骨泥塑在拼接、補塑時需要填補大量的泥層，不但增加了彩塑的重量，而且過多水分的介入使可溶鹽溶解遷移，進而給彩塑帶來新的傷害。為了解決此類問題，本實驗研究旨在于傳統泥質修復材料中添加輕質材料，通過材料各項理化性能的表征，篩選出適用于館藏彩塑修復的輕質補塑材料，減輕修復材料整體重量并降低水分的介入，以更好地修復我國彩塑藝術。

1 補塑材料室內篩選實驗

以《中國文物古跡保護準則》中的“最小干預原則”和“最大兼容原則”為依據，選擇目前在壁畫灌漿材料中較為成熟應用的三種輕質材料—白炭黑③、玻璃微珠④、天然浮石⑤為研究對象，以密度（重量）、收縮率、含水率、透氣性、抗折抗壓強度等參數為表征手段，綜合評價補塑材料的理化性能和加固效果，篩選出適宜的輕質補塑材料。

白炭黑：白色粉末狀X射線無定形硅酸和硅酸鹽產品的總稱，主要是指沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅和超細二氧化硅凝膠，也包括粉末狀合成硅酸鋁和硅酸鈣等。白炭黑是多孔性物質，其組成可用SiO2·nH2O表示，其中nH2O是以表面羥基的形式存在。

玻璃微珠：近年來發展起來的一種用途廣泛、性能特殊的新型材料。該材料由硼硅酸鹽原料經高科技加工而成，成分以SiO2、Al2O3為主，粒度為10～250um，壁厚1～2um。該品具有質輕、低導熱、較高的強度、良好的化學穩定性等優點，其表面經過特殊處理具有親油憎水性能，非常容易分散于有機材料體系中，增加被填充物的流動性，可以有效減少被填充物的收縮率、耐腐蝕。真實密度1.78gcm3（堆密度1.12g/cm3）相對于玻纖、碳酸鈣、滑石粉等填充物，可以明顯達到減重的效果。

天然浮石：又稱輕石或浮巖，容重小（0.3～0.4）是一種多孔、輕質的玻璃質酸性火山噴出巖，其成分相當于流紋巖。其因孔隙多、質量輕、容重小于1g/cm2，能浮于水面而得名。它的特點是質量輕、強度高、耐酸堿、耐腐蝕，且無污染、無放射性等，是理想的天然、綠色、環保的產品。

1.1 模擬試塊的制作

根據學者對莫高窟⑥、巖山寺⑦、水陸庵⑧等彩塑制作材料的相關研究結果，確定了室內模擬實驗傳統材料制作工藝配比，如表1所示。

表1 傳統材料配比

因本次實驗是以與古代彩塑制作材料性能相近的黏土（澄板土）為主，以輕質材料為輔來作為補塑材料，所以在此次研究中僅改變沙含量與白炭黑、玻璃微珠、天然浮石之間的添加比例（具體詳見表2）。考慮到不同植物纖維對輕質補塑材料性能的影響，故采用麥草與麻刀兩種纖維開展測試。

表2 輕質材料配比

在室內實驗開展前，設定每組補塑材料總質量為3kg（3000g），水灰比0.35，分別按上述比例制作傳統與輕質材料試塊（樣品）。包括直徑為86.12mm的圓形培養皿試塊、4cm×4cm×16cm及4cm×4cm×4cm抗折抗壓試塊。

1.2 補塑材料性能表征

通過室內測試實驗，可得圖1～6測試結果（所得線性收縮率、含水率、透氣性、密度、抗折抗壓數值均為平均值）。（注：圖1～6中“1-”表示白炭黑；“2-”表示玻璃微珠；“3-”表示天然浮石。“-1、-2、-3”表示添加纖維為麥草；“-4、-5、-6”表示添加纖維為麻刀。）

圖1 補塑材料線性收縮率測試對比

圖2 補塑材料含水率測試對比

圖3 補塑材料密度測試對比

圖4 補塑材料透氣性測試對比

圖5 補塑材料抗折強度測試對比

圖6 補塑材料抗壓強度測試對比

1.2.1 干燥時間

在一定相對濕度和溫度下，補塑材料直到恒定重量所需要的時間稱為干燥時間。把補塑材料裝入圓形培養皿中稱重，然后放入相對濕度RH40%左右溫度、20℃的空間中自然干燥，直至恒重并記錄干燥時間。由樣品干燥時間可知：

①玻璃微珠、天然浮石對樣品干燥速率影響較小，與傳統補塑材料干燥時間相近。添加白炭黑后干燥時間較長。

②纖維方面，添加纖維的不同對干燥時間的影響差別較小。

1.2.2 線性收縮率

收縮率是評價補塑材料性能的一項重要指標，所使用的材料修復前后應有最小的收縮。由圖1測試結果對比可知：

①天然浮石與傳統材料線性收縮率相近，白炭黑收縮率均較大，玻璃微珠的收縮率小于傳統材料。

②纖維方面，添加麥草纖維的線性收縮率小，麻刀纖維的線性收縮率大。

③輕質材料中，白炭黑添加麥草和麻刀的收縮率均隨添加比例的減小而減小。玻璃微珠中添加麥草的收縮率隨添加比例的減小成先減小后增大，添加麻刀的收縮率隨比例的減小而增大。天然浮石中添加麥草的收縮率隨比例的減小呈先減小后增大，添加麻刀的收縮率隨比例的減小呈先增大后減小。

線性收縮率表征結果可知：輕質材料玻璃微珠中添加麥草，收縮率至少減小11.1%；添加麻刀至少減小2.9%。天然浮石添加麥草，收縮率可至少減小9.3%。

1.2.3 含水率

含水率是影響文物本體二次病變的重要因素。所使用的補塑材料含水率越低，對文物本體的損害就越小。具體測試數據如圖2。

由圖2可知：

①天然浮石與傳統材料含水率最相近，白炭黑含水率較高。

②纖維方面，添加麻刀纖維的含水率低，麥草纖維的含水率高。

③輕質材料白炭黑、玻璃微珠、天然浮石中添加麥草與麻刀的含水率均隨著添加比例的降低而降低。

通過含水率測試結果可知：輕質材料天然浮石添加麥草時，含水率可降低4.2%。玻璃微珠中添加麻刀，含水率可降低2.6%。

1.2.4 密度

所使用補塑材料重量的減輕，可便于展陳時的搬運，并有效阻止不可控因素的發生概率。由圖3密度測試可知：

①添加白炭黑、玻璃微珠、天然浮石后的補塑材料密度較傳統材料均有減小，其中玻璃微珠的減輕效果最為顯著。

②纖維方面，添加麥草纖維的密度小于麻刀纖維。

③輕質材料中，白炭黑添加麥草和麻刀的密度隨著添加比例的減小而增大。玻璃微珠中添加麥草的密度隨著添加比例的減小先減小后增大；添加麻刀的密度隨著添加比例的減小而增大。天然浮石中添加麥草的密度隨比例的減小而增大；添加麻刀的密度隨添加比例的減小先減小后增大。

通過密度測試結果對比可知：輕質材料白炭黑、玻璃微珠、天然浮石中添加麥草時的密度依次最高可降低25.9%、40.3%和4.8%；添加麻刀時，密度依次最高可降低23.2%、41.6%和8.1%。

1.2.5 透氣性測試

在與圓形培養皿試塊直徑相同口徑容器內盛裝相同體積的水，將傳統材料與輕質材料的試塊置于容器上方，周圍用石蠟密封。當試塊與水面間的水蒸氣達到飽和時，水分將會通過試塊向外界運移，透氣性好的試塊，水分運移較快，反之則慢。通過定時稱重，測量重量的減少量，可判斷試塊的透氣性⑨。由圖4可知：

①白炭黑透氣性均優于傳統材料，天然浮石與傳統材料透氣性能最相近，而玻璃微珠的透氣性較差。

②纖維方面，添加麥草纖維的透氣性優于麻刀纖維。

③輕質材料白炭黑添加麥草和麻刀的透氣性是隨著添加比例的減小而減小。玻璃微珠中添加麥草的透氣性是隨添加比例的減小先增強后減弱；添加麻刀的透氣性是隨添加比例的減小而減弱。天然浮石中添加麥草的透氣性隨添加比例的減小而增強；添加麻刀的透氣性是隨添加比例的減小而減弱。

通過透氣性測試結果可知：輕質材料白炭黑中添加麥草時，透氣性會增強31.2%，添加麻刀時，透氣性會增強33.4%。

1.2.6 抗折強度測試

將模具中干燥的試塊4cm×4cm×16cm的測試樣品，用萬能材料試驗機進行測試，設定位移速度為5mm/min。由圖5測試數據可知：

①添加天然浮石的抗折強度較高。

②纖維方面，麻刀纖維的抗折強度高于麥草纖維。

通過抗折強度測試結果可知：輕質材料白炭黑、玻璃微珠、天然浮石中添加麻刀纖維時抗折強度可依次增強7.8%、3.8%和50.9%。

1.2.7 抗壓強度測試

將模具中干燥的試塊處理成4cm×4cm×4cm的測試樣品，用萬能材料試驗機進行測試，位移速度為5mm/min。由圖6測試對比數據可知：

①添加天然浮石的抗壓強度高。

②纖維方面，麻刀纖維的抗壓強度高于麥草纖維。

通過抗壓強度測試結果可知：輕質材料天然浮石添加麻刀時抗壓強度可增強14.8%。

2 篩選結果與初步結論

2.1 篩選結果

根據輕質材料實驗結果和傳統材料的數據對比，且依據重量輕、收縮率小、含水率低、抗折抗壓強度適中等的篩選原則。編號2-6與3-2是實驗組較為理想的輕質補塑材料。

①補塑材料2-6，其添加的輕質材料為玻璃微珠。

配比為：土64%+（沙∶玻璃微珠=1∶0.04）36%+1%麻刀。

補塑材料2-6測試結果表明，密度小（既為重量輕），線性收縮率、含水率和抗折強度優于傳統補塑材料，抗壓強測與傳統材料測試數據基本一致。符合篩選原則。

②補塑材料3-2，其添加的輕質材料為天然浮石。

配比為：土64%+（沙∶天然浮石=1∶0.5）36%+3%麥草。

補塑材料3-2測試結果表明，密度小（既為重量輕），含水率與線性收縮率優于傳統的補塑材料。透氣性與抗折強度測試結果與傳統材料測試數據相近。符合篩選原則。

2.2 初步結論

通過對三種輕質材料以及兩種纖維補塑材料的室內篩選研究，初步結論如下：

①三種輕質補塑材料中，各自所表現的優缺點較為明顯。其中添加玻璃微珠的補塑材料密度最小，重量最輕，線性收縮率較小，力學強度適中，是最理想的輕質補塑材料。添加天然浮石的補塑材料含水率最低，力學性能最優，對需要材料力學性能彩塑修復中有較強的適用性。

②在配比相同的情況下，添加麥草纖維的補塑材料密度和線性收縮率較小，含水率也較低。添加麻刀纖維的補塑材料抗折抗壓強度較高。

注釋

①張磊.館藏彩繪泥塑文物保護與修復探討[J].廣西博物館文集，2014（11）：394-404.

②孫元國.中國泥塑藝術起源與發展綜述[J].聊城大學學報（社會科學版），2011（2）：85-86.

③④陳港泉，李燕飛，樊再軒，等.干旱環境下古代壁畫保護成套技術集成與應用示范研究[M].北京：科學出版社，2019：394-411.

⑤樊再軒，史迪文·瑞克比，麗莎·席克德，等.敦煌莫高窟第85窟空鼓壁畫灌漿加固材料篩選實驗[J].敦煌研究，2007（5）：16-21.

⑥范宇權，柴勃隆，于宗仁，等.莫高窟早期三窟壁畫和彩塑制作材料研究[J].敦煌研究，2010（6）：28-33.

⑦黃斐，李正佳，白晶，等.巖山寺文殊殿彩塑制作材料及工藝研究[J].文物世界，2014（2）：3-8.

⑧樊娟.水陸庵泥塑土的性質及其修復材料研究[J].考古與文物，1994（6）：30-41.

⑨李燕飛，王旭東，趙林毅，等.山西介休后土廟彩塑修復材料的室內篩選研究[J].敦煌研究，2010（6）：34-40.