孫博 申喜旺 楊天宇 劉鴻 崇顯燦

（作者單位：孫博、申喜旺、劉鴻、崇顯燦，中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅省巖土文物保護特種工程技術(shù)研究中心；楊天宇，樂山大佛風景名勝區(qū)管理委員會）

一、引言

樂山大佛位于四川省樂山市岷江東岸凌云寺西側(cè)，大渡河、青衣江、岷江三江匯流處。大佛為彌勒佛坐像，坐高59．96 m（通高71 m），是我國現(xiàn)存最大的一尊摩崖石刻造像。大佛開鑿于唐代開元元年（713 年），完成于貞元十九年（803 年），歷時約九十年。大佛兩側(cè)崖壁和登山道上，有許多石龕造像，多是盛唐作品。1996年12月，峨嵋山-樂山大佛被聯(lián)合國教科文組織列入《世界自然與文化遺產(chǎn)名錄》。

樂山大佛在建成之后的漫長歲月中，歷經(jīng)多次修繕，早期修繕工作主要針對大佛本體，胸腹部是歷次修補的重點區(qū)域。目前，早期修復材料出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，多數(shù)開裂破損部位處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，局部區(qū)域已失穩(wěn)剝落，嚴重威脅大佛下部結(jié)構(gòu)及游客的安全，亟需開展保護與研究工作。

本文基于巖石力學理論，從文物材料劣化角度，針對樂山大佛胸腹部修復材料劣化現(xiàn)狀，通過聲波測試、卡斯滕量瓶法測試、表面硬度測試和點荷載檢測，結(jié)合室內(nèi)分析試驗，對樂山大佛胸腹部修復材料病害現(xiàn)狀及劣化特征進行分析與研究，為保護與治理提供科學支撐。

二、胸腹部修復材料劣化病害類型及分布特征

受外部環(huán)境因素影響，樂山大佛胸腹部修復材料劣化程度嚴重，調(diào)查發(fā)現(xiàn)劣化病害類型主要為早期修復材料破損，表現(xiàn)形式為空鼓、開裂及片狀、塊狀剝落。

1．空鼓病害

采用無損檢測和人工勘測技術(shù)，對修復材料空鼓范圍進行調(diào)查。測線布設間距50cm，其中橫向測線20條，編號為h1～h20，縱向測線19條，編號v1～v19。

圖1 勘測測線布置圖

調(diào)查結(jié)果表明，樂山大佛胸腹部開裂殘損區(qū)域空鼓集中分布在大佛胸腹部中上區(qū)域，坐標（v2～v18，h1～h14），呈條帶狀，共計11處。最大起鼓高度為8．7cm，位于大佛左右肩部，h3～h4區(qū)域，有兩處起鼓帶，起鼓高度約2．2cm，總面積約21．66m2。

圖2 空鼓區(qū)域分布圖

圖3 空鼓病害照片

2．開裂病害

按照分布方向分類，開裂裂縫分為橫向裂縫和豎向裂縫兩種，橫向裂縫主要分布在空鼓區(qū)域上下沿，豎向裂縫通常連接上下兩條橫向裂縫?？展膮^(qū)共發(fā)育裂縫52條，其中橫向裂縫30條，豎向裂縫22條。

圖4 裂縫延伸方向分類柱狀圖

按照裂縫寬度分類，樂山大佛胸腹部開裂殘損區(qū)域裂縫主要以微裂縫為主，共計39條，占到了75%；小裂縫12條，中裂縫1條，占到了25%。

表1 裂縫寬度分類表

圖5 裂縫寬度分類餅狀圖

圖6 開裂區(qū)域照片

3．片狀、塊狀剝落病害

剝落主要集中在1#、2#、4#、5#空鼓及衣襟區(qū)域，1#空鼓區(qū)發(fā)育有3處剝落區(qū)域，第1處剝落區(qū)域呈碎裂狀，面積約0．57m2，表面有修復層殘留；第2處剝落區(qū)域面積約0．42m2，表面修復材料已經(jīng)完全剝落，有早期修復層殘留；第3處剝落區(qū)域已經(jīng)完全剝落，面積0．07m2，下部為早期修復。2#空鼓區(qū)發(fā)育有1處剝落區(qū)域，面積約1．1m2，表面修復材料已經(jīng)完全剝落，有早期修復層殘留。4#空鼓區(qū)發(fā)育有2處剝落區(qū)域，第1處面積約0．05m2，第2處面積0．08m2，表面修復材料已經(jīng)完全剝落，有早期修復層殘留。5#空鼓區(qū)發(fā)育有2處剝落區(qū)域，第1處面積約0．01m2，第2處面積0．04m2，表面修復材料已經(jīng)完全剝落，有早期修復層殘留。衣襟邊緣發(fā)育有兩處剝落區(qū)域，第1處面積約0．29m2，第2處約0．34m2。

圖7 剝落區(qū)域分布示意圖

圖8 剝落區(qū)域照片

三、基巖及胸腹部修復材料性能

樂山大佛基巖類型為白堊系下統(tǒng)夾關(guān)組砂巖，主要成分為石英和長石，膠結(jié)類型為鈣、鐵質(zhì)膠結(jié)，有少量泥質(zhì)膠結(jié)。

表2 大佛基巖的物理、力學性能指標

胸腹部區(qū)域早期修復材料為混合捶灰（由水泥、石灰、炭灰及麻刀等按一定比例拌制而成），混合捶灰作為一種“傳統(tǒng)改進型”砂漿。其強度較高、耐水性好，干縮、冷熱驟變等性能與大佛砂巖更接近。

表3 胸腹部修復材料物理、力學性能指標

四、胸腹部修復材料劣化性評價

樂山大佛胸腹部修復材料存在劣化問題，早期修復材料采用石灰類材料為熟石灰，碳化后存在脫水過程，導致孔隙率會逐漸增加，材料性能降低，后期含硅酸鹽材料同樣存在碳化、次生鈣礬石破壞等現(xiàn)象。為了對修復材料劣化特征進行分析與評價，本文根據(jù)胸腹部修復層現(xiàn)狀選擇21個區(qū)域進行材料劣化性測試（聲波測試、卡斯滕量瓶法與表面硬度測試）和點荷載檢測（檢測區(qū)域見圖9）。劣化性測試參考磚石質(zhì)文物吸水性能測定表面毛細吸收曲線法（WW/T 0065-2015）與超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程（CECS 02:88），點荷載檢測參照工程巖體試驗方法標準（GBT 50266-2013）。

圖9 劣化性測試與點荷載檢測區(qū)域分布圖

1．聲波測試

借鑒工程地質(zhì)領(lǐng)域巖石風化系數(shù)FS，采用武漢中巖科技有限公司生產(chǎn)的SYT-5型波速儀，通過聲學測試及巖石風化系數(shù)風化程度分級對樂山大佛胸腹部附加層材料劣化特征進行定量描述，F(xiàn)S計算公式如下：

上式中VP0—樣品縱波速度(m/s)； VP一風化樣品縱波速度(m/s)

聲波測試樣品為修復材料重塑樣，尺寸為160mm×40mm×40mm，測試三組取平均值；風化樣品為大佛胸腹部不同區(qū)域（見圖9）修復材料，每個區(qū)域測試三組，取其平均值。測得修復材料重塑樣VP0為1890m/s，測得大佛胸腹部不同位置修復材料VP0及其分化程度見表4：

表4 聲波測試結(jié)果

由上表可知，樂山大佛胸腹部附加層材料巖石風化系數(shù)FS介于0．17～0．27之間，風化程度為未風化～弱風化。其中未風化共計12處，占57．14%，微風化共計8處，占38．10%，弱風化共計1處，占4．76%。

2．表面硬度測試

采用Equotip R3型里氏硬度計，測試新鮮修復材料表面硬度，同時選取樂山大佛胸腹部21處試驗區(qū)域（見圖9），每個區(qū)域測點3個，取其平均值，與新鮮修復材料表面硬度進行對比，結(jié)果如圖10。

圖10 表面硬度測試曲線

從硬度值分布曲線圖來看，樂山大佛胸腹附加材料硬度均分布在新鮮捶灰樣品的硬度值之下，因此捶灰材料在該區(qū)域露天環(huán)境條件下，表面硬度存在一定程度的衰減。對其衰減程度做統(tǒng)計如表5。

表5 表面硬度測試結(jié)果

從衰減率統(tǒng)計表來看，樂山大佛胸腹部捶灰材料風化后的硬度值衰減率分布在2%～30%之間。通過現(xiàn)場測試及觀察，在表面潮濕、有水痕或有空鼓處的地方其硬度值較低，而硬度值較新鮮樣品較大的幾處位置表面都很干燥，而且通過叩擊其捶灰層與基巖貼合非常密實。因此水分和空鼓病害對于捶灰材料的硬度衰減速率有著較大影響。

3．卡斯滕量瓶法測試

卡斯滕量瓶法是最早在歐洲使用的一種測試樣品表面吸水量的方法，它是由德國工程博士卡斯滕先生發(fā)明的。該檢測儀由一個內(nèi)徑約3cm的鐘形玻璃罩和一根插接的帶有毫升刻度的管子構(gòu)成。測量時用防水粘結(jié)材料將其粘附于樣品或被測量對象表面。注水至約10cm水柱然后觀測記錄水柱下降過程。

通過卡斯滕量瓶法定量、半定量地檢測大佛胸腹部修復材料在一定壓力下的毛細吸水能力和憎水能力，直觀地反映大佛胸腹部附加層保存現(xiàn)狀。

如表6所示，測得樂山大佛胸腹部附加層的毛細吸水系數(shù)都小于2，從石質(zhì)文物保護的角度看，根據(jù)德國工業(yè)標準 DIN52617對材料吸水性能分級，可知修復層均屬于厭水狀態(tài)。

4．點荷載檢測

將修復材料試樣置于點荷載儀的兩個球端圓錐之間，施加垂直集中荷載直至試件破壞。根據(jù)樣品抵抗變形直至破壞的能力，估算修復材料樣品抗壓強度。該項試驗方法簡便，便于現(xiàn)場試驗，且可對未加工成型的巖塊進行測試，在國內(nèi)有著廣泛使用。對其樣品強度損失率做統(tǒng)計分析如表7。

根據(jù)對新鮮捶灰樣品進行點荷載試驗，得到新鮮捶灰樣品的點荷載強度為4．98MPa，通過對比風化前后點荷載強度變化發(fā)現(xiàn)，風化后的強度損失率在8%～35%之間，通過現(xiàn)場采樣和觀察，在表面潮濕、有水痕、有空鼓處并且較為破碎的地方捶灰材料點荷載強度偏低，在較為密實、完整的地方點荷載強度較高，與之前的硬度測試結(jié)果較為一致。

表6 卡斯滕量瓶法測試結(jié)果

表7 點荷載檢測結(jié)果

5．小結(jié)

通過對樂山大佛胸腹部修復材料進行表面硬度測試、聲波測試、卡斯滕量瓶法測試和點荷載檢測，結(jié)果表明：

（1）胸腹部修復層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)部位的捶灰樣品強度損失較大，而與基巖貼合較為密實處捶灰材料強度損失較小。

（2）長期處于水漬浸泡的部位捶灰樣品強度損失較大，干燥處強度損失較小。

（3）按照選取樣品的層位高度來看，靠近大佛脖子處的強度損失較大，其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)部位面積也較大；越靠近下部捶灰層與基巖貼合越密實，捶灰層完整度越高，其強度損失也越小。

五、胸腹部修復材料劣化樣品室內(nèi)分析試驗

本文檢測樣品，取自胸腹部早期修復材料，位置編號為QY05、QY08、QY15、QY17、QY19（見圖9）。通過礦物成分分析（XRD）、元素分析（XRF）及微觀形貌分析（SEM），查明胸腹部修復材料礦物組成成分，元素組成成分及微觀結(jié)構(gòu)。

1．礦物成分分析（XRD）

1#-5#樣品的XRD衍射圖譜如圖11所示。

圖11 1#-5#樣品XRD衍射圖譜

1#-5#樣品的XRD半定量分析結(jié)果如表8所示。

表8 1#-5#樣品XRD半定量分析結(jié)果

由表8分析可知，1#～5#樣品的主要礦物組成均為石英、方解石、綠泥石、高嶺石和白云母，1#樣品中石英含量最高，2#～5#樣品中的石英含量逐漸降低；1#樣品中的方解石含量最低，2#-5#樣品中的方解石含量逐漸上升；1#～5#樣品中，綠泥石、高嶺石和白云母的含量基本相當。

2．元素分析（XRF）

1#-5#樣品的XRF比較結(jié)果如圖12所示。

圖12 1#-5#樣品XRF比較結(jié)果

由圖12分析可知，1#～5#樣品中SiO2含量最高，CaO次之，其余幾種組分含量較低；1#樣品中SiO2含量最高，2#～5#樣品中的SiO2含量逐漸降低；1#樣品中的CaO含量最低，2#～5#樣品中的CaO含量逐漸上升；1#～5#樣品中，Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3的含量基本相當。

表9 1#-5#樣品元素組成數(shù)據(jù)

由表9分析可知，1#～5#樣品的主要元素組成均為SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3，1#樣品中SiO2含量最高，2#～5#樣品中的SiO2含量逐漸降低；1#樣品中的CaO含量最低，2#～5#樣品中的CaO含量逐漸上升；1#～5#樣品中，Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3含量基本相當。上述結(jié)果，與XRD半定量分析結(jié)果基本一致。

3．微觀形貌分析（SEM）

1#樣品～5#樣品的SEM圖片如圖13所示。

由SEM結(jié)果顯示，在300x條件下，顆粒呈塊狀，形狀不規(guī)則，顆粒間存在較寬的間隙，顆粒表面的粗糙程度較低；在500x條件下，在視場范圍內(nèi)可以觀察到一個完整的顆粒，顆粒表面分布有兩種明顯的結(jié)構(gòu)，片層結(jié)構(gòu)、褶皺結(jié)構(gòu)、堆疊結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)較為松散，整體穩(wěn)定性較低；在2000x條件下，視場范圍主要以片層結(jié)構(gòu)和褶皺結(jié)構(gòu)為主，區(qū)域內(nèi)部片層形狀不規(guī)則，片層間結(jié)合較為松散，同時少量粒狀顆粒分布；在5000x條件下，樣品表面存在少量球狀顆粒，以片層結(jié)構(gòu)、顆粒結(jié)構(gòu)和褶皺結(jié)構(gòu)為主，整體穩(wěn)定性較差。

圖13 1#～5#樣品SEM圖片

六、結(jié)語

本文查明了樂山大佛胸腹部修復材料劣化病害類型及分布特征，采用材料劣化綜合評價系統(tǒng)對大佛胸腹部修復材料進行劣化程度檢測，結(jié)果表明：

1．劣化導致修復材料性能降低，在重力、滲水壓力、植物及微生物等的影響下，樂山大佛修復層出現(xiàn)空鼓、開裂及剝落病害。調(diào)查可知樂山大佛胸腹部開裂殘損區(qū)域空鼓集中分布在大佛胸腹部中上區(qū)域，呈條帶狀，開裂主要分為橫向裂縫和豎向裂縫兩種，橫向裂縫主要分布在空鼓區(qū)域上下沿，豎向裂縫通常連接上下兩條橫向裂縫，剝落有塊狀和片狀兩種形式，剝落面積介于為0．01 m2～1．1m2之間。

2．樂山大佛胸腹部捶灰材料風化后的硬度值衰減率分布在2%～30%之間；由卡斯滕量瓶法測試可知修復層均處于厭水狀態(tài)；通過對比修復材料新鮮試驗和胸腹部修復層點荷載強度變化發(fā)現(xiàn)，風化后的強度損失率介于8%～35%之間。

3．由室內(nèi)分析試驗可知，胸腹部修復材料主要礦物成分為石英、方解石、綠泥石、高嶺石和白云母，元素組成為SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O、K2O和Fe2O3，微觀結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)較為松散，整體穩(wěn)定性較低。

4．在樂山大佛下階段保護研究過程中，建議對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進行整理和分析，按照早期修復材料成分及配比，制備重塑樣品，通過室內(nèi)微觀試驗、劣化試驗以及數(shù)值計算等，進一步揭示樂山大佛修復材料劣化機理。