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主要完成单位：敦煌研究院 兰州大学 中科院兰州化学物理研究所 西安文物保护修复中心 项目主要完成人：陈港泉 苏伯民 樊再轩 吕功煊 马建泰 马 涛 李燕飞 通过跨学科、跨领域、跨行业、跨部门的联合攻关，围绕古代壁画脱盐关键技术研究，在检测分析、监测、病害机理研究、材料和工艺筛选、成果应用、脱盐评估方法、洞窟开放管理、行业标准编制等各个方面，完成了一套相互联系的、完整的多项创新性成果，基本解决了困扰壁画保护修复工作者多年的古代盐害壁画修复这一难题。 古代壁画在历经了千百年人为和自然因素的破坏后，很多都产生了各种各样的病害。其中，壁画盐害是最为典型和普遍存在的一类病害。特别是壁画酥碱病害，被称为壁画的“癌症”，要得到较好的修复，难度较大。 壁画中的可溶盐通常由氯化物、硫酸盐和硝酸盐等组成。在过去的保护工作中，对这类盐分所产生的壁画病害均采取使用黏结加固材料进行渗透加固和锚固的手段来治理。随着时间不断推移，环境变化引起的内部盐分的活动使得这些经过保护的壁画重新发生更为严重的病害；以前所使用的表面黏结和封护材料也会使得文物表面形成一层“硬壳”，盐分有时会引起这层“硬壳”整体从文物本体脱落。近年来对过去保护手段和保护效果的评估证明，这些方法只能起到暂时的保护作用，以后在外部环境的作用下，又将对文物造成新的破坏。采用脱盐技术去除和降低文物材质中所含的盐分，成为解决此类问题的新途径。 本项目研究所指的脱盐，是针对那些因遭受病害而变得不稳定的壁画或者面临盐分在壁画表面聚集的潜在威胁的壁画，所采取的去除盐分的措施，是一种被动的、必须及时应对的措施。本项目涉及的这类脱盐研究包括两种：一种是空鼓灌浆后，浆液将可溶盐带至壁画表面形成的盐害；一种是酥碱壁画的加固、脱盐治理修复。 项目自2006年11月开始实施，于2009年6月通过验收。 创新成果介绍 项目从环境监测、盐害壁画分析着手，通过三元体系相关系和盐分结晶动力学研究，首次对洞窟酥碱和疱疹壁画的发生和发展规律进行了较明确的阐述，首次提出了壁画安全含盐量和环境条件的临界数值，对洞窟的开放管理提供了可靠的理论数据。通过实地调查和分析检测，摸清了殿堂壁画盐分活动规律。借鉴多种分析手段，首次提出了一套针对洞窟盐害壁画可溶盐分析的快速检测方法体系。针对盐害壁画，首次研发出了一种高吸水性、高吸盐性脱盐材料，获得国家发明专利。据此材料研发了一种酥碱壁画加固修复的新工艺；改进了壁画空鼓灌浆加固工艺。研发的空鼓壁画脱盐的真空脱盐支顶板装置，大大减少了壁画的干燥时间，降低了壁画损害的危险性，获得国家实用新型专利。脱盐材料和工艺在壁画保护工程中得到很好的应用。以微岩芯取样分析法和研发的纸条分析法为基础，首次针对古代盐害壁画的保护修复建立了一套脱盐评估方法。针对古代壁画的保护修复提出标准编制建议，两项标准获颁布，填补了我国古代壁画保护修复标准编制领域的空白。 盐害壁画病害分析研究取得多项成果 1.洞窟环境监测得出不同位置的洞窟环境变化规律 莫高窟第194、98和351三个窟分属三个不同形制、不同位置，在相同时间段内各自洞窟的小环境气象参数有明显差异。第194窟的平均气温较第98和351窟变化幅度大；春夏季节，第194窟的相对湿度较第98和351窟为低，其变化主要受窟外大气的影响。总体来看，三个洞窟的相对湿度受窟外大环境影响较为明显：冬季初春窟内很干燥，月平均相对湿度保持在10%~20%左右，到了雨水较丰沛的春夏季节，相对湿度数据折线升幅较剧烈，尤其到了７月，平均升幅可达20个百分点以上。 第98窟西壁南测孔洞内不同深度的温湿度受周围大环境的影响，不同季节呈现不同的变化规律：10月窟外气温较高，不同深度的探头所测值非常接近，温度曲线由浅到深有微微下降趋势，1月份则恰恰相反。孔洞内相对湿度由浅到深按梯次上升，到1.25米处已基本饱和。 2.壁画盐害分析得出不同盐害壁画盐分的主要成分，为盐分结晶动力学试验提供了依据 对莫高窟第98、194、351窟壁画地仗进行取样分析表明，盐害壁画中的可溶盐主要为NaCl、Na2SO4，其分布以洞窟的西壁为最集中；第194窟、351窟盐害壁画疱疹的组成主要为NaCl。 3.室内模拟试块实验以实物展示了酥碱（疱疹）壁画的发生过程 在上述分析的基础上，通过制作与洞窟壁画相似的、不同含盐量的模拟壁画试块，并对其进行循环老化试验，观察、研究了模拟壁画试块酥碱盐害的发生现象和规律，对酥碱壁画病害发展趋势作了五级定性的划分。试验也模拟出了与莫高窟第351窟疱疹状病害相似的壁画病害现象。 4.模拟试块的剖面盐分分布研究表明Cl离子和S离子呈不相容状态 采用能量色散X射线荧光光谱法和背散射电子成像分析系统对老化后的模拟试块剖面进行盐分分布状况的研究，发现S离子和Cl离子呈“不相容”分布状态；在模拟壁画试块中的纤维表面，Cl离子与S离子也有着不同的分布规律。当壁画中某种盐分（如NaCl、Na2SO4）占优势时，其表现的盐害形式不同，但没有壁画酥碱和疱疹并存的现象，可能与此有关。 建立了针对洞窟壁画现场的快速检测体系 采用电导率法、离子选择电极法、沉淀反应法、试纸法、离子色谱法、毛细管电泳法，建立了一套洞窟壁画盐分快速检测系统，这几种方法组合使用，可以检测常见的可溶盐无机离子含量，确定壁画地仗中盐分的大致含量，可用于野外和实验室内的快速检测。 盐分结晶动力学实验对洞窟酥碱和疱疹壁画的发生和发展规律进行了明确阐述 运用成盐理论分析计算，研究了不同温度条件下Na+/Cl－,SO42－－H2O三元体系的相关系。研究得出，莫高窟壁画酥碱病变中NaCl和Na2SO4主导作用的交替点可界定为WNa2SO4 /WNaCl = 1∶3 ~ 6左右，即当该体系中Na2SO4的质量比约达30% ~ 15%时， Na2SO4成为壁画酥碱病害随洞窟温度变化而发生的主导诱因。 三元体系Na+/Cl－,SO42－－H2O结晶动力学研究表明，NaCl在除15℃ ~ 20℃外的大多温度区间内，其溶解度对温度不是十分敏感，在15 ℃~20℃的温度区间内有一定的加剧，所以NaCl的结晶析出所引起盐害的破坏在很大程度上是体现于15℃ ~20℃的温度区间，在季节上应表现为暮春、全夏和初秋。Na2SO4对温度较NaCl敏感，特别是在低温段，对于Na2SO4占主导诱因的体系来说，壁画盐害的发生和发展则主要在体现在20℃以下的温度区间，在季节上应表现为暮秋、全冬和初春。 NaCl结晶物质地坚硬，成晶颗粒较大，粒度均匀，在壁画盐害表现形式上应以点状疱疹为主。Na2SO4结晶物质地疏松，呈不规则团状分布，在外界温度变化下更易导致壁画酥碱病的渐进性和反复性。试块模拟研究证明了上述结论。 首次提出壁画安全含盐量和环境条件的临界数值 模拟试块老化试验表明，壁画含盐量控制在1%~1.5%以下，环境变化不会对其产生作用，盐分对壁画的损害不明显；而当壁画模拟试块中的含盐量达到5%以上时，将会产生严重的酥碱病害。这为壁画脱盐提出了参考性极强的数据。 依据结晶动力学的测定结果，运用拉乌尔定律计算可得三元体系Na+/Cl－,SO42－－H2O在5℃~35℃的温度范围内相对湿度的许可临界安全值。这为今后的洞窟管理提供了理论依据。 针对盐害壁画，首次研发出了一种高吸水性、高吸盐性脱盐材料 以淀粉、丙烯酰胺为原料，采用水溶液自由基聚合，通过正交实验方法制备了吸水性、吸盐性强的树脂材料。该材料呈中性，不含强的腐蚀性基团，对壁画不产生损害，柔韧性好。且制备工艺成熟，稳定，易于控制，便于使用。 SEM扫描电镜结果显示，正交实验最佳结果的淀粉接枝丙烯酰胺树脂具有较多的细小孔道，有利于盐溶液的吸收。而吸水倍率过小的树脂样品要么是孔道过大，要么是根本没有孔道。红外吸收结果显示出淀粉接枝丙烯酰胺树脂中淀粉结构、酰胺结构、羧酸盐结构同时存在，也就是说树脂的吸收作用，是聚酰胺和羧酸盐同时作用的结果。 研发了一种酥碱壁画加固修复的新工艺，改进了壁画空鼓灌浆加固工艺 1.酥碱壁画修复工艺研发 考察海绵、细毛毯、KC-X70、KC-X60、淀粉接枝聚丙烯酰胺等十余种纤维材料单独或与其他纤维、澄板土结合的吸水性，筛选出以KC-X60加载淀粉接枝聚丙烯酰胺吸水脱盐效果最优，吸水量可达5.2倍，吸水率为7.1克/小时·平方分米。 以明胶作为酥碱壁画的修复加固材料和黏接剂，采用除尘、填垫泥浆、注射黏结剂、回贴颜料层、再次注射黏结、滚压、压平壁画的工艺，先期对酥碱壁画实施加固。之后通过敷设脱盐垫、脱盐板，更换吸水脱盐垫直至壁画干燥。干燥后采用研制的保护笔进行二次脱盐，尽量清除壁画表面聚集的盐分。 2.空鼓壁画灌浆加固工艺改进 根据脱盐材料的性质，设计了针对空鼓壁画灌浆后的真空脱盐板。使用真空脱盐板，可以将壁画的干燥时间缩短7~8天，而在同样气候条件下壁画自然干燥的时间约为30天。 莫高窟第98窟壁画脱盐现场实验表明，使用普通脱盐板与使用真空脱盐板对壁画进行脱盐处理，其壁画地仗盐分含量的比为1.54∶1，即，使用真空脱盐板可以降低壁画地仗盐分含量35%。二次脱盐能使莫高窟洞窟壁画表面的含盐量降低90%以上。 首次针对古代盐害壁画的保护修复了一套脱盐评估方法 项目组以微岩芯取样分析法和研发的纸条分析法为基础，建立了一套针对古代盐害壁画的保护修复脱盐评估方法。在壁画颜料层脱落或地仗破损处，用微岩芯取样器对壁画不同深度进行取样分析，可以看出脱盐前后地仗中盐分含量的变化。 微岩芯取样分析结果可以清楚地看出，脱盐修复后的壁画地仗中可溶盐含量降低较明显，而采用淀粉接枝聚丙烯酰胺脱盐材料效果较KC-X60Ⅰ型好得多，两者可以相差1倍，脱盐效果十分明显。 研发出一种纸条法，可无损检测壁画地仗可溶盐含量。通过纸条与盐害壁画表面在一定条件下的接触，分析纸条中盐分含量与壁画地仗中盐分含量关系曲线Y＝6.27X＋0.1005，曲线的相关系数r=0.9633。可以在不损坏壁画的情况下，推断出壁画地仗层中大致的含盐量。应用于酥碱壁画修复前后的对照评估，可以看出脱盐以及使用脱盐材料的效果。 研究得出了殿堂壁画可溶盐病害及其活动规律 选择河北曲阳北岳庙、河北毗庐寺、四川省成都新津观音寺、陕西蓝田水陆庵进行殿堂壁画的可溶盐分析，研究发现，殿堂壁画，特别是潮湿地区的殿堂壁画，壁画支撑体相对湿度很高。可溶盐成分与莫高窟壁画中大致相同，但是有的殿堂处于农田中，含有较高量的硝酸盐、硫酸盐；中溶盐硫酸钙的含量在某些殿堂壁画也有较高的含量。依据调查和分析结果，制作了殿堂壁画模拟试块，观察病害的发展趋势和现状，为验证酥碱壁画修复工艺在殿堂壁画中的应用提供了实验对象。 殿堂壁画盐渍上升实验显示，有下碱的试块在实验开始一两天后才开始出现盐渍，且总体上升高度较低；而无下碱的试块从实验一开始便很快出现盐渍，且上升高度相对要高，两者相差约5~15厘米。试块盐渍上升高度与不同浓度的盐液没有明显的区别。这是由于可溶盐是随毛细水的迁移而迁移的，毛细水的上升主要与样块的材质和环境因素有关。 选择陕西仓颉庙酥碱壁画进行脱盐试验研究，并用聚丙烯酰胺脱盐材料和真空脱盐的方法，参照洞窟壁画酥碱修复工艺，通过2种脱盐效果评估方法可以得出，该套工艺和材料适用于壁画中含有可溶盐的脱盐治理，但对于中溶盐CaSO4含量较高的壁画，脱盐效果不如洞窟脱盐效果明显。 编制了我国第一部壁画保护修复标准 在对国内外有关病害壁画保护、修复方面相关规范、准则的收集工作结束后，结合本项目取得的成果和实践应用情况，以适用性、科学性、规范性为原则，在“古代壁画地仗可溶盐分析取样与测定”标准中（WW/T 0031-2010），规定了古代壁画地仗可溶盐的取样及其分析项目，规定并推荐了离子色谱分析样品的方法，适用于我国石窟寺、古建筑、墓葬泥质壁画地仗中可溶盐取样和分析；在是我国第一个关于古代壁画保护技术的国家行业标准“古代壁画脱盐技术规范”标准中（WW/T 0032-2010），规定了空鼓壁画灌浆脱盐、酥碱壁画加固脱盐的操作步骤，适用于我国古墓葬、古建筑、石窟寺以及馆藏泥质壁画的空鼓壁画灌浆脱盐和酥碱壁画加固脱盐的保护修复工作。 (原文发表在《中国文物报》2010年11月19日第13版) (责任编辑：admin) |