奉国寺元代壁画裂隙病害的初步调查与成因分析

刘 成，李 倩，王 飞，康海鹰

(1. 西北大学文化遗产学院，陕西西安 710069； 2. 陕西历史博物馆，陕西西安 710061； 3. 义县文物管理局，辽宁锦州 121100)

0 引 言

奉国寺地处辽宁省锦州市义县东北部，据寺内碑文记载，该寺始建于辽开泰九年(公元1020年)，其主殿大雄殿总建筑面积1 800多平方米，是目前辽代佛教寺院中最大的单体木构建筑[1]。殿内檐墙上绘有精美的元代壁画，按间口分幅，共有20幅。单幅壁画高4.65 m，宽4.20 m，总面积达466.7 m2。壁画规模宏大、线条流畅、画面富于变化、密宗风格显著，是元代壁画艺术的杰出代表，具有极高的历史价值和艺术价值[2]。

因年代久远、几经修缮、保存环境不稳定，壁画的病害问题已十分突出。1987—1989年对殿内壁画进行整体保护加固时，从背后对原有墙体进行了分段拆除，并打薄了地仗层，再用1%聚乙烯醇缩丁醛对地仗层进行加固，上述处理完成后壁画的厚度约为2～2.5 cm。之后在其上涂刷了一层环氧树脂，又贴上一层玻璃纤维布，如此反复，最后形成三层环氧树脂、两层玻璃纤维布的玻璃钢体作为壁画的新支撑体[3]，在其后又重新垒砌了红砖和土坯砖。此次保护加固使壁画由原来的单一质材料变为了复合材料。而复合材料对于环境变化的差异性反应使得壁画的病害问题更为复杂，尤其是壁画的裂隙病害，面临着内外因的双重破坏，既影响了壁画的完整性和美观性，又影响了壁画的安全性和稳定性。因此对于壁画裂隙病害的调查与研究工作刻不容缓。

1 壁画裂隙调查

壁画裂隙调查是壁画研究工作的基础，调查时采用现场观测调查和后期CAD病害统计相结合的方法。现场观测主要是通过肉眼观察、内窥镜和超景深显微镜拍摄等方式，对裂隙产状、开裂处的内部结构和裂隙宽度进行调查。后期CAD病害统计则侧重于对裂隙长度和裂隙的总体状况进行评估。

1.1 裂隙分布

1.1.1西墙 西墙共有5处裂隙(图1)，皆出现在两幅壁画的过渡部分，其中W3和W5处于檐柱前，W5纵贯了整幅壁画，从整体来看裂隙危害并不严重(表1)。

图1 奉国寺大雄殿西墙壁画裂隙分布图Fig.1 Fissure distribution map on the west wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

表1 奉国寺大雄殿西墙壁画裂隙详情表Table 1 Details of fissures on the west wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

1.1.2东墙 东墙共有4处裂隙(图2)，其中E1、E2皆纵贯了整幅壁画，底部比顶部开裂严重。E3沿壁画上端修补区域左侧开裂至壁画底部的须弥山。E4则是修补裂隙的再次开裂，20世纪80年代加固壁画时，使用了石灰膏和水泥对原有裂隙进行了填充，填充区域与壁画原始画面色彩差异较大，因此容易识别(表2)。

表2 奉国寺大雄殿东墙壁画裂隙详情表Table 2 Details of fissures on the east wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

图2 奉国寺大雄殿东墙壁画裂隙分布图Fig.2 Fissure distribution map on the east wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

1.1.3北墙 北墙以当心间为隔分为左右两侧，共8幅壁画，左侧有4处裂隙(图3)，右侧有3处裂隙(图4)。从开裂长度和开裂深度来说，N1最为严重，N5、N6、N7也都纵贯了整幅壁画(表3)。

图3 奉国寺大雄殿北墙左侧壁画裂隙分布图Fig.3 Fissure distribution map on the left side of the north wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

图4 奉国寺大雄殿北墙右侧壁画裂隙分布图Fig.4 Fissure distribution map on the right side of the north wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

表3 奉国寺大雄殿北墙壁画裂隙详情表Table 3 Details of fissures on the north wall of Daxiong Hall of Fengguo Temple

1.1.4南墙 南墙两幅壁画绘制在东西尽间，檐柱正处于壁画两端，其背面也没有更换过支撑体，壁画整体没有明显裂隙。

1.2 裂隙特征

根据现场裂隙分布、裂隙走向以及裂隙相关测量数据，可知奉国寺元代壁画裂隙具有以下特征：自颜料层、细泥地仗层一直开裂到粗泥地仗层；位置大多分布于两佛像间的过渡处，即檐柱前；基本是从壁画上端开裂的纵向裂隙；基本是20世纪80年代对壁画进行保护加固后产生的新裂隙；3/4的裂隙都超过了墙高的1/2，已经严重威胁到壁画的稳定性。

2 裂隙成因分析方法

2.1 分析依据

当下文保行业还没有建立壁画裂隙分类标准与评估体系，而建筑壁画作为建筑的一部分，依附建筑墙体存在，可以参考墙体裂缝的研究方法来进行裂隙病害成因分析。

墙体裂缝的研究一般先需要对其进行属性划分，一类是受力裂缝，由外荷载引起，包括静荷载裂缝、动荷载裂缝和其他荷载裂缝；另一类是变形裂缝，由非荷载作用引起，包括温度裂缝、不均匀沉降裂缝等。之后再结合对整体建筑物稳定性的评估和建筑物外力来源的调查来确定墙体裂缝产生的具体原因[4]。

因此，对壁画裂隙病害进行成因分析时，也可先判断裂隙的属性，之后再逐一分析可能会影响裂隙形成的因素，将其对裂隙的影响具体化、科学化。同时需要注意的是，与一般建筑物墙体相比，奉国寺元代壁画所在墙体属于复合材料构成的多层结构墙体。因此，对裂隙成因进行分析时还需要考量各部分材料的强度极限和形变过程。

2.2 分析仪器

2.2.1显微观察 超景深三维显微系统仪器：KEYENCE基恩氏VHX-5000系列，放大倍数为20～50倍。

内窥镜：HAWK-FE-02工业内窥镜，探头直径3.9 mm，像素41万。

扫描电子显微镜：VEGA-3XMU型扫描电镜-能谱分析仪，捷克TESCAN公司生产。

2.2.2化学成分分析 红外光谱仪：TENSOR27型傅里叶红外光谱仪，扫描次数为16，分辨率4.0，BRUKER公司生产。

2.2.3环境监测设备 温湿度监测：WEME-IV二氧化碳温湿度传感器、文物表面温湿度无损检测多层位温度监测仪。

3 裂隙成因分析

3.1 裂隙属性分析

壁画所在檐墙不承重，不受梁架影响，义县近50年来也无大规模地震，大雄殿无受外力情况。壁画开裂的地仗层已经出现了变形，因此通过非外力荷载和变形两个因素可知该壁画裂隙应属于非荷载作用引起的变形裂隙，而变形裂隙可分为沉降裂隙、收缩裂隙和温度裂隙三类，需根据壁画现状调查环境进行下一步细分。

大雄殿在20世纪80年代进行过勘测调查，其台基四面包砌青砖，内里填充夯土，台基整体稳定。这一时期还对殿内檐柱进行了修补和替换，保证其结构的稳定性。2006—2008年，天津大学建筑学院对奉国寺重新进行勘察，勘察结果表明大殿整体倾斜0.06°，处于安全范围，梁架也无歪闪，檐柱高度保持稳定，也没有倾斜。由以上因素可确定大雄殿没有发生沉降。

檐柱直径为68 cm，原材和补材均为松木，松木纵向干湿收缩率0.1%，横向干湿收缩率4%，檐柱横向收缩直径变化范围为65.28～70.72 cm。檐柱的预留收缩缝为5 cm，远大于檐柱横向收缩的最大值。因此，判断檐柱的干湿收缩膨胀也不会影响到檐柱前壁画的稳定性。

综上所述，奉国寺元代壁画的裂隙病害不属于沉降裂隙和收缩裂隙，应属于温度裂隙。

3.2 开裂原因分析

温度裂隙是由于墙体各种材料的线膨胀系数不同，在温度影响下的变形量也不尽相同，而这些变形差在墙体的约束条件下，在墙体内部产生应力，一旦应力超过某部分材料可以承受的极限时，该应力就会在该材料处通过开裂的方式进行应力释放。因此要对奉国寺元代壁画的裂隙成因分析，首先需要对组成壁画的各层材料进行研究。

由壁画现状调查结果可知，壁画从表及里依次为颜料层、白粉层、细泥地仗层、粗泥地仗层、环氧树脂和玻璃纤维布层、砖层、檐柱、土坯砖墙(图5)。

图5 壁画各层材料Fig.5 Each layer material of mural painting

3.2.1环氧树脂收缩变形 由壁画的裂隙调查可知，裂隙处环氧树脂和玻璃纤维布均已收缩变形，脱离原来位置。这说明环氧树脂的收缩变形对裂隙有直接影响。

1) 固化收缩。由《辽宁义县奉国寺大雄宝殿壁画原地加固保护技术报告》可知，20世纪80年代加固壁画所使用的环氧树脂黏结剂的配方为6101环氧∶501#二乙∶二乙烯三胺=100∶10∶9，常温下固化。

二乙烯三胺属于胺类固化剂中的脂肪类多元胺，可在常温下固化，但其脂肪适用期仅20 min，固化时会放出大量的热，因此在室温固化时必须添加促进剂，否则会增大固化收缩率[5]。而奉国寺加固壁画所使用的环氧树脂体系中没有添加反应促进剂。因此，环氧树脂在固化过程中极有可能会出现收缩情况。

2) 温差收缩。二乙烯三胺与环氧树脂的当量比会直接影响到固化物的性能，在胺与环氧当量比小于1时，固化剂不足，会导致固化物不能产生紧密的交联网络，而奉国寺所使用的环氧树脂体系二乙烯三胺的胺当量为20.6，E-44型环氧树脂的环氧当量为227.3，当量比为0.09(小于1)。整个环氧树脂体系存在固化程度不足的问题，其拉伸强度和玻璃化温度也会相对偏低。

由壁画环氧树脂表面温度变化图(图6)可知，固化后环氧层所处温度最高可达到31.1 ℃，易超过玻璃化温度。这将会引起环氧树脂的玻璃态转变，致使环氧树脂体系出现温差收缩。

图6 环氧树脂表面温度变化图Fig.6 Surface temperature change diagram of epoxy resin

3.2.2地仗层与环氧树脂之间的黏结力降低 将内窥镜探入裂隙深处，发现环氧树脂与前面的地仗层和后面的砖层都出现了分离情况(图7～8)。这说明裂隙处环氧树脂的黏结性已大大降低，失去了对壁画地仗层的保护加固作用。

图7 环氧树脂与地仗层之间的距离Fig.7 Distance between the epoxy resin and the plaster layer

而造成地仗层与环氧树脂之间黏结力降低的原因，一方面是环氧树脂与地仗层线膨胀系数差异过大，温湿度所产生的变形差会不断累积，致使环氧树脂和地仗层分离；另一方面则是环氧树脂随温湿度变化发生了老化现象，化学结构改变，黏结强度降低。

由环氧树脂的扫描电镜照片可知(图9)，现在的环氧树脂内出现了很多大小不一的孔洞，而由原材料、原配比、原工艺制作而成的新的环氧树脂表面却没有出现同样的孔洞(图10)。这说明随着环境和时间的变化，环氧树脂发生了老化变性，失去了其致密的表面。

图8 环氧树脂与砖层之间的距离Fig.8 Distance between the epoxy resin and the brick layer

图9 环氧树脂的扫描电镜照片Fig.9 SEM image of epoxy resin

图10 新环氧树脂的扫描电镜照片Fig.10 SEM image of the new epoxy resin

而将奉国寺的环氧树脂红外光谱图(图11)与环氧树脂的标准红外谱图对照[6]可知，奉国寺的环氧树脂没有3 492 cm-1处的O-H键特征吸收峰，表明环氧树脂的黏结性降低；2 967 cm-1、2 929 cm-1、2 872 cm-1三个CH2、CH3收缩振动中没有出峰，表明环氧树脂涂膜的附着力降低、环氧树脂与地仗层黏结度减小；环氧基团的特征吸收峰915 cm-1没有出峰，表明该环氧树脂体系已大部分失效。

图11 环氧树脂红外光谱图Fig.11 Infrared spectrogram of epoxy resin

3.2.3地仗层空鼓变形 在对奉国寺元代壁画进行裂隙调查时，发现裂隙所在的区域都出现了地仗层空鼓的现象(图12)，空鼓深度已超过2 cm。

图12 空鼓照片Fig.12 Photo of hollowing

由大雄殿空气湿度监测数据(图13)可知，壁画保存环境的湿度变化范围为23.93%～82.81%，波动性较大。环氧树脂和地仗层受湿度影响后产生的变化具有很大差异，地仗层作为多孔土质材料，吸水后产生的膨胀收缩要远远大于环氧树脂。因此，在湿度剧烈变化下，强度降低的程度也会远远大于环氧树脂。当环氧树脂收缩变形时，产生的应力更易向抗拉强度更低、材料性能更加不均匀的地仗层释放。而随着环氧树脂与地仗层黏结力的降低，其收缩应力大于环氧树脂与地仗层之间的黏结力时，环氧树脂就会与地仗层分离，将地仗层顶起造成空鼓[7]。

图13 奉国寺大雄殿空气湿度变化图Fig.13 Changes of air humidity in Daxiong Hall of Fengguo Temple

3.2.4地仗层强度降低 受环境湿度变化的影响，壁画地仗层发生膨胀收缩，再加上失去环氧树脂的支撑加固作用，地仗层的强度会越来越小。而随着环氧树脂的持续收缩变形，环氧树脂在与地仗层分离后会继续对地仗层产生应力，一旦累积的应力大于地仗层的极限强度时，地仗层就会开裂。

3.3 开裂过程分析

由上述研究可知，壁画裂隙的形成经过了以下4个步骤：

1) 环氧树脂因为固化收缩和温度收缩产生变形；

2) 由于地仗层和环氧层的线膨胀系数相差过大，再加上环氧树脂老化，致使地仗层与环氧层之间的黏结力降低，二者逐渐分离；

3) 环氧树脂收缩变形产生的应力向地仗层释放，造成地仗层空鼓；

4) 地仗层本体强度随环境变化降低，当环氧树脂收缩变形所产生的应力在引起地仗层空鼓后的剩余应力仍大于地仗层的极限强度时，剩余应力就会通过地仗层开裂释放。

4 结 论

奉国寺元代壁画的裂隙属性为温度裂隙，其裂隙成因是环氧树脂因固化收缩和温度收缩所产生的变形应力在地仗层方向释放。这部分应力在引起地仗层空鼓后的剩余应力仍大于地仗层的极限强度，因而剩余应力通过地仗层开裂的方式得到释放。

而裂隙多出现在檐柱前则是因为该位置是玻璃纤维布之间的接缝处，当环氧树脂收缩时，接缝处的玻璃纤维布最易向内收缩，与接缝处的地仗层分离，地仗层与环氧树脂的黏结力最低，地仗层的极限强度也最低，因此是最容易开裂的地方；而之所以从壁画上端开裂，则是因为环氧树脂会在温度和重力作用下流，使得壁画上端的环氧树脂与地仗层的黏结力小于底部，因此会首先开裂。

由壁画现状调查可知，环氧树脂已经老化失效，不能再为壁画提供支撑增强作用，甚至还会使壁画产生新的病害，因此需要对环氧树脂进行处理。同时对疏松的地仗层进行加固。而在今后使用环氧树脂作为支撑体时，也需要充分考虑不同材料之间的性质兼容，通过环氧树脂配比的选择、环境的控制等因素尽可能减少环氧树脂的收缩变形，也应建立过渡层，以便待环氧树脂老化后可以对其进行替换，降低对壁画本体的干预。