南普恒，田進(jìn)明，王曉毅，張 紅

(1.山西省考古研究院，山西太原 030001；2.永濟市博物館，山西運城 044500)

0 引 言

隋棲巖道場舍利塔碑于1979年被公布為第一批全國書法藝術(shù)名碑，現(xiàn)收藏于山西省永濟市博物館。由于碑身石質(zhì)斑駁，點痕如魚子，亦名“魚子碑”。2014—2015年，在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了保護(hù)修復(fù)方案，對斷裂病害嚴(yán)重的碑身實施了粘接修復(fù)，恢復(fù)了碑身原貌。同時，結(jié)合保管展陳需要，設(shè)計制作了移動保護(hù)平臺。此項保護(hù)修復(fù)為石質(zhì)文物，尤其是石碑保護(hù)修復(fù)積累了經(jīng)驗，提供了相關(guān)技術(shù)借鑒。

1 石碑概況

1.1 基本信息

碑首螭首篆書題“大隋河?xùn)|郡首山棲巖道場舍利塔之碑”。碑身35行楷書碑文，字體古拙端嚴(yán)，具魏碑向唐楷過渡的書法風(fēng)格，內(nèi)容以隋文帝復(fù)興佛法、廣建舍利塔為核心，表彰了隋太祖、文帝、煬帝締構(gòu)佛綱、弘揚道法的功德，為了解隋代蒲州佛教與佛寺發(fā)展提供了重要的實物資料[1]。通高334.2 cm(含碑身下榫頭)，寬99.3～114.8 cm，厚35.1～39.0 cm，石灰?guī)r；碑座為龜趺座，與碑身分離，通高90.5 cm，寬143.3 cm，長119.8 cm，石灰?guī)r。

1.2 主要病害

碑座基本完整，露天保存，表面溶蝕、裂隙病害較多，局部存在少量刻畫、鐵銹等病害。碑身殘損嚴(yán)重，室內(nèi)保存，主要有殘缺、斷裂(圖1)及積塵等病害，尤以斷裂病害最為嚴(yán)重，殘塊達(dá)百余塊。此外，碑身殘塊斷面多數(shù)存在一層厚約0.5～1.3 mm的水銹結(jié)殼。碑身正面碑文清晰，內(nèi)容相對完整，背面碑文局部缺失，局部模糊。

圖1 碑身斷裂、殘缺病害Fig.1 Disease of fracture and mutilation in the stele

2 科學(xué)分析

2.1 現(xiàn)狀記錄

為記錄碑座和碑身殘塊保存現(xiàn)狀，使用美國天寶地面相位式三維激光掃描儀和北京天遠(yuǎn)OKIO-colour高精度真彩光柵式三維掃描儀分別對碑座和碑身較大殘塊進(jìn)行了數(shù)字化采集，獲取了高精度三維數(shù)字模型，真實、全面地記錄了石碑各部分保存現(xiàn)狀。

同時，借助計算機軟件，根據(jù)碑身殘塊斷面的三維特征，使用特征匹配技術(shù)還原了殘塊原始相對位置，并通過自動統(tǒng)一坐標(biāo)系復(fù)原出了碑身原貌，實現(xiàn)了碑身的虛擬復(fù)原(圖2)。

圖2 虛擬重建的碑身三維模型(正面、背面)Fig.2 Three-dimensional model of the stele body with virtual reconstruction

2.2 材質(zhì)分析

2.2.1成分分析 使用日本島津公司生產(chǎn)的XRF-1800型X射線熒光光譜儀對碑身和碑座試樣進(jìn)行了成分分析，結(jié)果詳見表1。

表1 碑身基巖XRF分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the bedrock by XRF (%)

實驗參數(shù)：4 kW端窗銠(Rh)靶X光管，管口鈹窗厚度為75 μm，電壓、電流分別為40 kV和95 mA。

成分分析顯示，碑身中含有較多的鈣、硅、鎂、鐵等，說明石材中可能含有較多的方解石或白云石。另外，較之基巖，碑身表面部分鈣含量略低，鐵、鋁含量略高，可能是風(fēng)化作用導(dǎo)致的表面泥化及綠泥石-蛇紋石化現(xiàn)象所致。碑座基巖鈣含量較高，硅、鐵及鋁等含量均較低，與碑身存在一定差異。

2.2.2巖相分析 使用德國卡爾·蔡司Axioskop40Pol研究級數(shù)字透射偏光顯微鏡對碑身和碑座試樣進(jìn)行了巖相分析(圖3)。

圖3 碑身基巖巖相照片F(xiàn)ig.3 Lithofacies photo of the bedrock of the stele body

巖相分析顯示，碑身石材為白云質(zhì)鮞?；?guī)r，碑座石材為白云質(zhì)灰?guī)r。

2.2.3物相分析 使用日本理學(xué)的D/Max-IIIA型X射線粉末衍射儀對碑身和碑座石材試樣進(jìn)行了礦物組成分析，分析結(jié)果詳見圖4和圖5。

圖4 碑身基巖XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of the bedrock of the stele body

圖5 碑座基巖XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of the bedrock of the stele pedestal

實驗參數(shù)：X射線CuKα(0.154 18 nm)，管壓40 kV，管流100 mA，掃描速度8°/min，采數(shù)步寬0.02°。

XRD分析顯示，碑身礦物組成主要為方解石、白云石或鐵白云石、石英，碑座礦物組成主要為白云石、方解石。

2.3 病害分析

2.3.1微觀形貌分析 微觀形貌分析能直觀顯示和表征石質(zhì)文物風(fēng)化程度，因此使用日本基恩士VHX-600E型超景深視頻顯微鏡對3塊碑身殘塊進(jìn)行了微觀形貌分析。

顯微分析顯示，碑身材質(zhì)為鮞粒灰?guī)r，鮞粒顆粒截面多呈直徑0.9～1.9 mm的圓形。碑身表面呈輕微風(fēng)化狀，膠結(jié)物的風(fēng)化程度相對鮞粒顆粒嚴(yán)重(圖6)，表面部分文字風(fēng)化程度較大。相對而言，碑身斷面的鮞粒顆粒和膠結(jié)物風(fēng)化程度均較輕。

圖6 碑身殘塊表面微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the front of the stele fragment

2.3.2表面硬度分析 一般而言，當(dāng)石質(zhì)文物表面發(fā)生風(fēng)化時，其表面硬度也會相對斷面降低，因此采用國產(chǎn)便攜式里氏硬度計對6塊碑身殘塊的外表面硬度和斷面硬度分別進(jìn)行了測試。

硬度分析表明，碑身外表面硬度為352.1～524.1，且多在420以下，而斷面硬度則為596.2～599.7，略高于外表面，表明風(fēng)化程度較輕，與微觀形貌分析結(jié)果相符。

2.3.3拉曼光譜分析 使用法國HoRIBA公司生產(chǎn)的XpLORA共焦顯微拉曼光譜儀對碑身殘塊斷面的水銹結(jié)殼(圖13)試樣進(jìn)行了拉曼光譜分析。

該款儀器采用氬離子激光器，配備532 nm、633 nm、785 nm激光器，物鏡50×，光斑尺寸1 μm，光柵1 200，5×10 s掃描頻次。

拉曼分析顯示(圖7)，2件水銹結(jié)殼樣品具有相似的拉曼峰值，與碳酸鈣CaCO3的拉曼光譜圖譜[2]極為吻合，應(yīng)為碳酸鈣。

圖7 碑身殘塊水銹結(jié)殼拉曼光譜圖Fig.7 Raman spectrum of the remains on the surface of the stele body

2.3.4超聲波檢測 使用國產(chǎn)ZBL-U520非金屬超聲波檢測儀對碑座裂隙發(fā)育情況進(jìn)行了透射法超聲波檢測。檢測時，采取四層左右對測，以確定裂隙是否貫通。從頭部至尾部，碑座底層編號1～9，中層編號1～5，上層編號1～7，頂層編號1～2。

檢測表明(表2)，26處測試部位中，僅有8處接收到超聲波信號，且主要分布在碑擔(dān)榫槽壁、龜趺頭部及龜趺上層、中層及底層局部，其余18處均未收到超聲波信號，表明碑座內(nèi)部存在較多貫穿裂隙。

表2 碑座超聲波檢測分析結(jié)果表Table 2 Analysis results of the ultrasonic testing for stele pedestal

另外，新鮮石灰?guī)r的超聲波波速一般在6 km/s左右。超聲波檢測分析結(jié)果顯示，碑座碑擔(dān)榫槽壁無裂隙部位的超聲波波速為5.67 km/s，說明此部位石材表面風(fēng)化程度不高，孔隙率增加不大，風(fēng)化程度較輕。而碑座其他部位的超聲波波速降低卻較為明顯，超聲波波速多在3 km/s左右，局部甚至為1.44 km/s，說明風(fēng)化程度已經(jīng)較為嚴(yán)重。

整體而言，碑座整體力學(xué)性能下降較為嚴(yán)重。

2.4 材料分析

目前，石碑修復(fù)使用的粘接材料多為環(huán)氧樹脂。結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研和實地考察，確定在江西慈化E44(6101)、上海派爾科STONE FIX、江西慈化CH31及浙江合眾AAA四種環(huán)氧樹脂中進(jìn)行遴選。

從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度來看，碑身殘塊粘接修復(fù)完成后，膠黏劑受到的力主要來自于拉伸和剪切兩方面，因此膠黏劑的粘接性能優(yōu)劣也應(yīng)主要從拉伸強度和剪切強度兩方面遴選。理想的實驗材料是與碑身石材一致的鮞?；?guī)r，但與碑體石材一致的鮞粒灰?guī)r樣品較難獲取。相對而言，鋼鐵試樣的制作加工較為便利，也容易使粘接面光滑度相對一致。再者，在粘接介質(zhì)相同，且粘接面光滑度相近的情況下，拉伸強度和剪切強度大小也能一定程度反映不同膠黏劑粘接性能的優(yōu)劣。因此，膠黏劑的遴選最終使用了統(tǒng)一加工、尺寸相同的鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣，并使用SANS公司生產(chǎn)的CMT5105A微機控制萬能材料試驗機進(jìn)行了拉伸強度和剪切強度測試。

1) 拉伸強度。通過靜載荷作用下的拉伸實驗獲得，采用圓柱形鐵棒作為標(biāo)準(zhǔn)試樣。

首先，使用游標(biāo)卡尺在相互垂直的方向上分別測量膠合面直徑，并取平均值作為試樣粘接面面積A；隨后，使用酒精清潔標(biāo)準(zhǔn)試樣粘接面，分別使用4種膠黏劑粘接標(biāo)準(zhǔn)試樣，并各制樣三組。靜置24 h，使膠黏劑完全固化；最后，分組逐一對標(biāo)準(zhǔn)試樣緩慢施加軸向拉力，拉開的同時測出施加的最大載荷Ft，并根據(jù)力學(xué)公式σt=Ft/A，分別計算出四類膠黏劑的拉伸強度。實驗結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)氧樹脂拉伸強度Table 3 Tensile strength of epoxy resin

拉伸強度測試顯示，四種膠黏劑的平均拉伸強度依次為CH31>E-44>AAA>STONE FIX，其中CH31環(huán)氧樹脂的平均拉伸強度最大。

2) 剪切強度。通過靜載荷作用下的剪切實驗獲得，采用長方體規(guī)則鐵板作為標(biāo)準(zhǔn)試樣。

首先，使用游標(biāo)卡尺對膠合面長、寬進(jìn)行三次測量取平均值，并根據(jù)平均值計算粘接面面積A；隨后，使用酒精清潔標(biāo)準(zhǔn)試樣粘接面，分別用4種膠黏劑粘接標(biāo)準(zhǔn)試樣，并各制樣三組。靜置24 h，使膠黏劑完全固化；最后，分組逐一對標(biāo)準(zhǔn)試樣緩慢施加軸向載荷，膠合面斷裂同時測出施加的最大載荷F，并根據(jù)Fs=F/2計算出Fs，進(jìn)而由τ=Fs/A得到剪切強度。實驗結(jié)果如表4所示。

表4 環(huán)氧樹脂剪切強度Table 4 Shear strength of epoxy resin

剪切強度測試結(jié)果顯示，四種膠黏劑的平均剪切強度依次為CH31>AAA>E-44>STONE FIX，其中CH31環(huán)氧樹脂的平均剪切強度最大。

3 有限元仿真分析

石碑碑座和碑身現(xiàn)處于分離狀態(tài)，分別保存于室外和室內(nèi)。通過保護(hù)修復(fù)，在碑身粘接修復(fù)的基礎(chǔ)上，可以使碑座和碑身恢復(fù)成結(jié)合和分離兩種狀態(tài)。結(jié)合狀態(tài)下(圖8)，碑身下部長方形接榫插入碑座碑擔(dān)中央的長方形榫槽中，使碑身立于碑座之上，恢復(fù)石碑的原有形貌；分離狀態(tài)下，碑身不再與碑座結(jié)合，保持現(xiàn)有分離狀態(tài)，但仍集中存放或展示(圖9～10)。

圖8 碑座和碑身結(jié)合豎立效果Fig.8 Erection effect for the combination of the stele pedestal and body

圖9 碑座和碑身分離豎立效果Fig.9 Erection effect for the seperation of the stele pedestal from body

兩種保護(hù)修復(fù)思路均可實現(xiàn)，但各有利弊。碑身與碑座結(jié)合，恢復(fù)了石碑的原有形貌，是最理想的狀態(tài)。但病害調(diào)查和超聲波檢測顯示，碑座裂隙發(fā)育嚴(yán)重，多數(shù)裂隙基本貫穿，整體力學(xué)強度嚴(yán)重下降，尤其是碑座至碑擔(dān)部位肉眼可見一條明顯裂隙。另外，根據(jù)虛擬復(fù)原結(jié)果，碑身體積約1.24 m3，密度測試數(shù)據(jù)為3 300 kg/m3，重約4 t。如果碑身與碑座結(jié)合，立于碑座之上，碑座受損的風(fēng)險較大。碑身與碑座分離，雖然一定程度上與石碑原貌不符，但提高了碑座的安全系數(shù)，更有利于文物的安全和保護(hù)。

圖10 碑座和碑身分離側(cè)立效果Fig.10 Side effect for the seperation of the stele pedestal from body

實現(xiàn)碑身和碑座分離存放，碑身有豎立和側(cè)立兩種存放方式。目前，碑身斷裂病害嚴(yán)重，沿厚度方向斷裂甚至多達(dá)5層，僅大塊殘塊就多達(dá)24塊，如果實現(xiàn)豎立存放或保存，勢必需要在碑身厚度和高度方向埋設(shè)很多錨桿，與最小干預(yù)的保護(hù)原則不符；其次，碑身殘塊較多，粘接面也較多，而室外保存條件下環(huán)氧樹脂的失效期也會一定程度縮短。碑身高達(dá)3.3 m，加上輔助底座，高度可達(dá)4 m左右。如果環(huán)氧樹脂失效，局部殘塊從碑身掉落，損壞程度會更大，也不利于再次保護(hù)修復(fù)；最后，從碑身斷裂分布來看，豎立保存或展示，會使碑身大部分重量傳遞于底部邊緣局部，導(dǎo)致受力不均勻，碑身受損風(fēng)險較大。相對而言，碑身如果側(cè)立放置，降低了高度，擴大了受力面積，可能更有利于碑身的保護(hù)和安全。

為科學(xué)評估碑身豎立和側(cè)立修復(fù)的安全性，同時深入了解碑身使用環(huán)氧樹脂粘接修復(fù)后的應(yīng)力分布，使用Abaqus、SolidWorks軟件及Lagrange算法對其進(jìn)行了有限元仿真分析，從而確定了安全有效的保護(hù)修復(fù)方式，并為后期保護(hù)修復(fù)實施提供科學(xué)依據(jù)。

首先，將碑身三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks程序進(jìn)行面光滑和斷面填充；隨后，將三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行材料屬性、邊界條件、面面接觸及重力添加等設(shè)置。同時，對CH31環(huán)氧樹脂粘接性能在100%、75%、50%、25%及5%時碑身的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。

有限元仿真分析結(jié)果(表5)顯示，相同條件下，碑身側(cè)立放置的安全系數(shù)要遠(yuǎn)大于豎立放置的安全系數(shù)。安全系數(shù)是材料的極限強度與其許用應(yīng)力的比值，它是一個無量綱的數(shù)值，可以理解為統(tǒng)一的強度概念[4]。對于膠黏劑而言，其許用強度即是材料本身的極限強度，而粘接面的最大應(yīng)力即是材料的許用應(yīng)力，也是材料必須達(dá)到的強度，兩者比值即是膠黏劑的安全系數(shù)。當(dāng)膠黏劑的許用強度大于粘接面的最大應(yīng)力時，黏結(jié)劑的安全系數(shù)大于1，粘接性能仍然有效，粘接面不會發(fā)生位移，粘接的碑體是安全的；當(dāng)膠黏劑的許用強度小于粘接面的最大應(yīng)力時，膠黏劑的安全系數(shù)小于1，粘接性能可能已失效，粘接面可能會發(fā)生位移，粘接的碑體是不安全的。換言之，一定程度上，安全系數(shù)越大，表明粘接后的碑體越安全。

表5 有限元仿真分析結(jié)果Table 5 Results of finite element simulation analysis

當(dāng)環(huán)氧樹脂CH31的粘接性能降至25%時，豎立放置的安全系數(shù)為5.13，，而此時側(cè)立放置的安全系數(shù)仍高達(dá)12.96，安全性較高。當(dāng)粘接性能降至5%時，豎立放置的安全系數(shù)僅為0.43，粘接性能已不能滿足粘接需要，而此時側(cè)立放置的安全系數(shù)為2.40，粘接性能仍能滿足粘接需要。

另外，需要指出的是，仿真分析顯示側(cè)立放置時最大應(yīng)力主要分布在碑首局部和碑身側(cè)面局部(圖11)，保護(hù)修復(fù)時應(yīng)特別注意。

圖11 碑身側(cè)立放置應(yīng)力云圖(粘接性能25%)Fig.11 Stress nephogram for side stand of the stele body

綜合以上分析，不難看出，采用碑座和碑身分離、碑身側(cè)立放置的保護(hù)修復(fù)方式更有利于石碑的安全和保護(hù)。經(jīng)認(rèn)真研究，最終確定石碑保護(hù)修復(fù)采取碑座和碑身分離，且碑身側(cè)立放置的保護(hù)思路。

同時，考慮后期的展陳需要，確定將碑身和碑座分別保護(hù)修復(fù)于2輛不銹鋼結(jié)構(gòu)的移動保護(hù)平臺之上，以便石碑的移動運輸和未來展陳。

4 移動保護(hù)平臺設(shè)計

碑身和碑座體量較大，移動極為不便，設(shè)計保護(hù)平臺的目的是為了滿足以后的保管和展陳需要，因此移動性和安全性是平臺設(shè)計的核心原則。

經(jīng)認(rèn)真研究，以碑身虛擬復(fù)原數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計并制作了與碑身側(cè)面和碑座三維形狀基本吻合的不銹鋼移動保護(hù)平臺，并充分考慮了移動和靜置時碑身的安全性和穩(wěn)定性，深化了關(guān)鍵部位的安全設(shè)計。

保護(hù)平臺(圖12)主要包括以下關(guān)鍵部件。

圖12 碑身移動保護(hù)平臺Fig.12 Mobile conservation platform of the stele body

1) 側(cè)斜支撐面。根據(jù)虛擬復(fù)原數(shù)據(jù)，在移動平臺碑身側(cè)立放置部位設(shè)計了三角形的不銹鋼側(cè)斜支撐面，以確保碑身側(cè)面與平臺接觸部位受力均勻。

2) 側(cè)立支架。碑身側(cè)立時，碑身接榫和碑首部分部位會懸空，為確保穩(wěn)定和安全，在移動平臺對應(yīng)部位分別設(shè)計了梯形和弧形支撐體，并在弧形支撐體上預(yù)留了工藝孔。待碑身側(cè)立放置后，使用不銹鋼螺絲和專用樹脂螺帽從弧形支撐體背面支撐碑首，以確保受力均衡。

3) 側(cè)翼護(hù)板。為防止保存中，因震動引起碑身晃動和不均勻受力，設(shè)計了三角形側(cè)翼護(hù)板。當(dāng)碑身靜置保存時，用不銹鋼螺絲和專用樹脂螺帽將側(cè)翼護(hù)板固定于碑身兩側(cè)，從而使碑身和移動保護(hù)平臺連接為一個整體。

4) 靜置立柱。為防止碑身靜置保存時，車輪因長期受力而受損，在車輪內(nèi)側(cè)設(shè)計了支撐立柱。當(dāng)碑身靜置保存時，降下支撐立柱負(fù)荷碑身和保護(hù)平臺的重力，減少車輪負(fù)荷。

5) 減振裝置。在車輪上方設(shè)計和安裝了專用的減震裝置，以減少移動過程中因路面不平整而引起的震動。

6) 方向控制桿。為便于移動，移動平臺前后均設(shè)計了方向控制桿，用以控制平臺的移動方向。

5 保護(hù)修復(fù)實施

5.1 碑身修復(fù)

按照側(cè)立放置的保護(hù)思路，碑身修復(fù)主要包括以下步驟：

5.1.1編號記錄 碑身殘塊較多，原編號已無法核對，為便于修復(fù)記錄，根據(jù)碑身虛擬復(fù)原結(jié)果，結(jié)合修復(fù)需要，按照碑身結(jié)構(gòu)在虛擬復(fù)原圖上對體量較大的斷裂殘塊重新編號，共編號49個。同時，在修復(fù)過程中，通過拍照、描述等方式詳細(xì)記錄了各殘塊的保存現(xiàn)狀、尺寸及主要病害等信息。

5.1.2表面清潔 在根據(jù)虛擬復(fù)原結(jié)果對碑身殘塊進(jìn)行拼對的過程中，發(fā)現(xiàn)碑身殘塊表面均具有不同程度的土垢、油漆、墨跡、白灰等污染物和水銹結(jié)殼。為保證隨后的粘接修復(fù)效果，經(jīng)現(xiàn)場試驗，使用吸塵器、塑料刷、純凈水、乙醇、丙酮等對碑身殘塊表面的污染物進(jìn)行了清洗。前期檢測分析表明，碑身斷面的水銹結(jié)殼主要成分為碳酸鈣。經(jīng)現(xiàn)場試驗，對比草酸等弱酸、超聲波潔牙機及微型電動打磨機的去除效果和工作效率，發(fā)現(xiàn)手工機械去除效果較好，效率也較高，尤其是微型電動打磨機。根據(jù)試驗結(jié)果，最終選擇在清洗之后，使用微型電磨和超聲波潔牙機兩種設(shè)備，并輔助以手術(shù)刀等機械器具，用機械法去除碑身殘塊斷面的水銹結(jié)殼。

5.1.3粘接修復(fù) 表面清潔之后，按照“由小變大，逐塊粘接”的修復(fù)思路，結(jié)合碑身殘塊多數(shù)分層斷裂的病害實際，首先對前期編號的碑身殘塊，尤其是分層斷裂的碑身殘塊進(jìn)行了地面錨固粘接，將殘塊按照編號順序逐漸由小變大。同時，根據(jù)碑身修復(fù)之后側(cè)立放置和移動保護(hù)平臺上側(cè)翼護(hù)板的設(shè)計，將不銹鋼錨桿盡可能設(shè)計在碑身的厚度方向，而在碑身的寬度方向和高度方向盡可能減少錨桿設(shè)計，以減少對碑身的干預(yù)；隨后，在移動保護(hù)平臺上，按照由榫部到碑首、由背面到正面的順序使用叉車和吊車分三次對前期地面錨固粘接的碑身殘塊進(jìn)行吊裝錨固粘接，初步恢復(fù)了碑身的原有形態(tài)(圖13)。

圖13 錨固粘接Fig.13 Anchorage and adhesion

同時，在吊裝錨固粘接過程中，根據(jù)有限元仿真分析顯示的碑身側(cè)面局部應(yīng)力較大，也為避免碑身側(cè)面與移動保護(hù)平臺的“剛性接觸”，在移動保護(hù)平臺相應(yīng)位置鋪設(shè)了一層橡膠墊和錫箔作為軟質(zhì)墊層和隔離層。

5.1.4補全修復(fù) 經(jīng)過錨固粘接，對49塊體量較大的碑身殘塊進(jìn)行了修復(fù)，但仍有數(shù)十塊體量較小的殘塊未找到對應(yīng)位置。為此，結(jié)合碑身缺失部位，對所有體量較小的碑身殘塊進(jìn)行了認(rèn)真拼對，使用CH31環(huán)氧樹脂又對20余塊殘塊進(jìn)行了粘接修復(fù)。同時，對于無浮雕的缺失部位使用環(huán)氧樹脂混合無法準(zhǔn)確識別位置的細(xì)小殘塊進(jìn)行補全修復(fù)，對碑首浮雕缺失部分則采用膠泥塑形、石膏翻范、樹脂鑄型、拼對修整及粘接補全的方式進(jìn)行了補全修復(fù)(圖14)。

圖14 龍首補全修復(fù)Fig.14 Completion restoration of the dragon head

5.1.5平臺安裝 待環(huán)氧樹脂固化后，拆除固定裝置，將前期因固定而拆除的碑首支撐支架重新安裝，并在移動保護(hù)平臺相應(yīng)部位安裝不銹鋼側(cè)翼護(hù)板(圖15)，使碑身與移動保護(hù)平臺連接為一個整體，有效避免和緩沖碑身移動時因震動、晃動而導(dǎo)致的不均勻受力。

圖15 碑身正面Fig.15 Stele front

另外，使用不銹鋼螺絲固定碑首支撐支架和側(cè)翼護(hù)板時，均使用特制的樹脂螺帽作為緩沖，避免不銹鋼螺絲與碑身直接發(fā)生剛性接觸。

5.2 碑座保護(hù)

根據(jù)碑座、碑身分離的保護(hù)思路，碑座后期會單獨室內(nèi)保存或展陳，不再承受碑身的壓力和室外不利因素影響，因此對碑座采取了較為保守的保護(hù)方法，僅對影響藝術(shù)價值體現(xiàn)的表面積塵、土垢及污染物進(jìn)行了處理，而對不影響現(xiàn)狀安全的溶蝕、裂隙及尾部局部缺失病害等暫時不進(jìn)行治理，以減少對文物本體的干預(yù)。

首先，使用叉車將碑座移動至移動保護(hù)平臺之上，并在碑座底部鋪設(shè)橡膠和錫箔作為隔離和緩沖層，以免碑座底部與移動保護(hù)平臺剛性接觸。同時，通過底部放置隨型木楔，使底部不規(guī)則的碑座在移動保護(hù)平臺上保持平穩(wěn)；隨后，使用吸塵器、純凈水、酒精及丙酮等對碑座表面進(jìn)行除塵和去污處理，清除表面污垢、油漆等污染物；最后，按照碑座底部尺寸定制了木質(zhì)圍擋，將底部裸露部分進(jìn)行了封閉處理，以防止灰塵、雜物等進(jìn)入碑座底部，并提高了碑座展陳的視覺效果。

5.3 三維掃描

保護(hù)修復(fù)完成后，使用美國FARO Focus3D X330三維激光掃描儀對碑身和碑座再次進(jìn)行了三維掃描，真實記錄了石碑保護(hù)修復(fù)后的三維數(shù)據(jù)，為后期的保護(hù)方法、材料及效果評估提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

6 相關(guān)討論

6.1 粘接錨固

粘接錨固是碑身修復(fù)中難度最大的一個環(huán)節(jié)，也是決定修復(fù)效果的重要因素。一方面，碑身殘塊數(shù)量多、體量大、不規(guī)則，搬運不便，粘接固定困難。如果殘塊粘接失誤，可能會因誤差累積而影響最終修復(fù)效果；另一方面，碑身在高度、寬度及厚度方向均有斷裂，厚度方向斷裂甚至多達(dá)5層，且碑身表面多數(shù)部位有碑文或陰刻圖案，殘塊拼合錨固時需要從粘接面向兩邊鉆孔，將錨桿埋設(shè)于碑身內(nèi)部，錨桿數(shù)量較多，操作難度也較大。

為保證粘接錨固效果，確保修復(fù)質(zhì)量，主要采取了以下5項措施：1)當(dāng)某部位斷裂為三層以上時，先使用環(huán)氧樹脂將碑身表層以外的其他部分粘接為一個整體，再與表層部分進(jìn)行錨固粘接或直接粘接；2)錨固鉆孔之前，應(yīng)對錨孔中心位置提前精確定位，鉆孔時也應(yīng)水平推進(jìn)，確保錨孔平直，避免因錨孔傾斜導(dǎo)致錨桿不能完全插入而影響錨固效果。實施中，設(shè)計并定制了水鉆水平推進(jìn)支架，保證了錨孔質(zhì)量，效果較好；3)對于需要從粘接面雙向鉆孔錨固的碑身拼合殘塊，在確保錨孔中心位置一致的前提下，可分別使用不同孔徑的鉆頭，從而為涂膠錨固之后的局部調(diào)整預(yù)留操作空間。粘接錨固修復(fù)后期，分別使用直徑3.2 cm和3.8 cm孔徑的鉆頭對擬錨固殘塊進(jìn)行鉆孔，極大地提高了修復(fù)效率和質(zhì)量；4)粘接錨固之前，應(yīng)進(jìn)行預(yù)先模擬，確保錨孔、錨桿及殘塊完全匹配后才能正式涂膠粘接；5)涂膠之后，應(yīng)對錨固的碑身殘塊進(jìn)行強制固定，并注意觀察，防止環(huán)氧樹脂固化期間，因位置發(fā)生相對移動而影響粘接錨固效果。經(jīng)過1個多月的修復(fù)實施，最終完成碑身的粘接錨固修復(fù)，取得了較好的修復(fù)效果。

6.2 有限元仿真分析

受吳哥窟茶膠寺塔門穩(wěn)定性評估及現(xiàn)狀破壞解讀中的結(jié)構(gòu)受力分析和三維有限元數(shù)值分析啟發(fā)[3]，為評估碑身粘接修復(fù)后豎立和側(cè)立放置的安全性，并了解自然重力荷載下碑身各殘塊的應(yīng)力分布情況，基于碑身殘塊的虛擬復(fù)原模型對碑身進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元仿真分析，確立了安全有效的保護(hù)修復(fù)方式，并對后期的修復(fù)實施提供了技術(shù)依據(jù)。

經(jīng)有限元仿真分析，相對于豎立放置，側(cè)立放置的安全系數(shù)更大，尤其是當(dāng)環(huán)氧樹脂的粘接能力失效至5%時，側(cè)立放置的安全系數(shù)仍是豎立放置的5.6倍，更有利于碑身的安全和保護(hù)。據(jù)此，最終確立了碑身側(cè)立放置的保護(hù)修復(fù)實施方案。

有限元仿真分析雖然為保護(hù)修復(fù)實施方案的確立提供了重要的技術(shù)依據(jù)，但令人遺憾的是未能實現(xiàn)對碑身殘塊錨固粘接提供技術(shù)依據(jù)的最初設(shè)想。其主要原因在于碑身殘塊數(shù)量太多、斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜及運算量巨大，無法實現(xiàn)各單體殘塊在整體中的力學(xué)分析，從而未能對錨固位置和錨桿數(shù)量、材質(zhì)的選擇提供技術(shù)依據(jù)。在后期的粘接錨固中，根據(jù)經(jīng)驗選擇了直徑2.8 cm的螺紋不銹鋼作為錨桿，并根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計了錨孔的位置和數(shù)量，完成了碑身的粘接錨固修復(fù)，恢復(fù)了碑身的原貌。

6.3 膠黏劑篩選

在石質(zhì)文物保護(hù)粘接材料的篩選中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的方法是使用與文物石材一致的石材樣品粘接后進(jìn)行拉伸和剪切實驗，并結(jié)合拉伸和剪切強度數(shù)據(jù)、粘接面破損程度及保護(hù)修復(fù)實際等因素對膠黏劑的性能進(jìn)行綜合評判和優(yōu)選。在篩選中，也并非拉伸強度越大、剪切強度越大，膠黏劑的性能就越優(yōu)。一般情況下，膠黏劑的強度不能大于文物石材本體的強度，當(dāng)拉伸和剪切作用發(fā)生時，膠黏劑首先受到破壞，從而使粘接的石質(zhì)文物得到保護(hù)。

碑體粘接材料篩選時，由于未能獲得與碑體石材一致的鮞?；?guī)r，而改用統(tǒng)一加工、尺寸相同的鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行膠黏劑的篩選，雖然一定程度上能夠反映膠黏劑的抗拉強度和剪切強度優(yōu)劣，但仍需補充膠黏劑與碑體石材強度比較的實驗，或者直接使用與碑體石材一致或接近的石材樣品進(jìn)行黏結(jié)劑的性能優(yōu)選才更為科學(xué)，也更有利于碑體的保護(hù)。

7 結(jié) 論

在病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合材質(zhì)、病害、材料及有限元仿真分析結(jié)果，從有利于文物的安全和保護(hù)角度出發(fā)，確立了碑座與碑身分離、碑身側(cè)立放置的石碑保護(hù)修復(fù)實施方案，并通過清洗、粘接、補全等系列石質(zhì)文物保護(hù)修復(fù)措施基本恢復(fù)了碑身的原貌，使碑座和碑身處于相對穩(wěn)定的安全狀態(tài)。同時，結(jié)合文物保存和展陳需要，設(shè)計定制了專用的移動保護(hù)平臺，即實現(xiàn)了安全保存，又可隨時移動進(jìn)行展示，有利于文物的保護(hù)和展示利用。

另外，需要指出的是，雖然有限元仿真分析并未在石碑保護(hù)修復(fù)的所有環(huán)節(jié)中都發(fā)揮作用，但不可否認(rèn)，其仍然極大地提高了石碑保護(hù)修復(fù)的科學(xué)性。毋庸置疑，此種方法必將在以后的文物保護(hù)修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景，對于推動和提高文物保護(hù)修復(fù)的科學(xué)性起到重要的推動作用。

致 謝：李晉軍、靳健、張耀東、李少雄等參與石碑修復(fù)，西安碑林博物館牟偉協(xié)助考察碑林石碑修復(fù)，山西文博集團(tuán)程虎偉和山西省考古研究院(山西考古博物館)陳鑫、梁孝協(xié)助進(jìn)行三維掃描，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)秦潁、陜西師范大學(xué)金普軍、中國科學(xué)院大學(xué)羅武干協(xié)助進(jìn)行成分、巖相及XRD分析，陜西省文物保護(hù)研究院馬宏林和相建凱協(xié)助進(jìn)行碑座超聲波檢測，太原理工大學(xué)閆曉鵬協(xié)助進(jìn)行有限元仿真分析和粘接材料性能測試，在此表示衷心感謝！