輕質(zhì)補(bǔ)塑材料在館藏彩塑修復(fù)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(chǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)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(dú)特的雕塑形式，是造型藝術(shù)與繪畫藝術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，更是經(jīng)過歷史長(zhǎng)期發(fā)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(dòng)，社會(huì)上的道觀、佛寺、廟堂直接促進(jìn)了泥塑偶像的需求和泥塑藝術(shù)的發(fā)展，到唐代發(fā)展到頂峰①。宋元時(shí)期為泥塑藝術(shù)的普及期，到了明清，泥塑進(jìn)入了大眾化時(shí)期②。然而近現(xiàn)代以來，由于社會(huì)建設(shè)工程的發(fā)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(jīng)過文物修復(fù)工作者的修復(fù)加固最后成為館藏文物。館藏彩塑因其可移動(dòng)的特性，較之不可移動(dòng)的石窟寺、古建筑彩塑更能直觀反映出彩塑的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值，因此開展館藏彩塑保護(hù)研究工作具有重要意義。

館藏彩塑中木骨泥塑是數(shù)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(bǔ)塑時(shí)需要填補(bǔ)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(jìn)而給彩塑帶來新的傷害。為了解決此類問題，本實(shí)驗(yàn)研究旨在于傳統(tǒng)泥質(zhì)修復(fù)材料中添加輕質(zhì)材料，通過材料各項(xiàng)理化性能的表征，篩選出適用于館藏彩塑修復(fù)的輕質(zhì)補(bǔ)塑材料，減輕修復(fù)材料整體重量并降低水分的介入，以更好地修復(fù)我國彩塑藝術(shù)。

1 補(bǔ)塑材料室內(nèi)篩選實(shí)驗(yàn)

以《中國文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》中的“最小干預(yù)原則”和“最大兼容原則”為依據(jù)，選擇目前在壁畫灌漿材料中較為成熟應(yīng)用的三種輕質(zhì)材料—白炭黑③、玻璃微珠④、天然浮石⑤為研究對(duì)象，以密度（重量）、收縮率、含水率、透氣性、抗折抗壓強(qiáng)度等參數(shù)為表征手段，綜合評(píng)價(jià)補(bǔ)塑材料的理化性能和加固效果，篩選出適宜的輕質(zhì)補(bǔ)塑材料。

白炭黑：白色粉末狀X射線無定形硅酸和硅酸鹽產(chǎn)品的總稱，主要是指沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅和超細(xì)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(zhì)，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(fā)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(jīng)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(zhì)輕、低導(dǎo)熱、較高的強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，其表面經(jīng)過特殊處理具有親油憎水性能，非常容易分散于有機(jī)材料體系中，增加被填充物的流動(dòng)性，可以有效減少被填充物的收縮率、耐腐蝕。真實(shí)密度1.78gcm3（堆密度1.12g/cm3）相對(duì)于玻纖、碳酸鈣、滑石粉等填充物，可以明顯達(dá)到減重的效果。

天然浮石：又稱輕石或浮巖，容重?。?.3～0.4）是一種多孔、輕質(zhì)的玻璃質(zhì)酸性火山噴出巖，其成分相當(dāng)于流紋巖。其因孔隙多、質(zhì)量輕、容重小于1g/cm2，能浮于水面而得名。它的特點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)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(huán)保的產(chǎn)品。

1.1 模擬試塊的制作

根據(jù)學(xué)者對(duì)莫高窟⑥、巖山寺⑦、水陸庵⑧等彩塑制作材料的相關(guān)研究結(jié)果，確定了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)材料制作工藝配比，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)材料配比

因本次實(shí)驗(yàn)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(zhì)材料為輔來作為補(bǔ)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(duì)輕質(zhì)補(bǔ)塑材料性能的影響，故采用麥草與麻刀兩種纖維開展測(cè)試。

表2 輕質(zhì)材料配比

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)開展前，設(shè)定每組補(bǔ)塑材料總質(zhì)量為3kg（3000g），水灰比0.35，分別按上述比例制作傳統(tǒng)與輕質(zhì)材料試塊（樣品）。包括直徑為86.12mm的圓形培養(yǎng)皿試塊、4cm×4cm×16cm及4cm×4cm×4cm抗折抗壓試塊。

1.2 補(bǔ)塑材料性能表征

通過室內(nèi)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可得圖1～6測(cè)試結(jié)果（所得線性收縮率、含水率、透氣性、密度、抗折抗壓數(shù)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(bǔ)塑材料線性收縮率測(cè)試對(duì)比

圖2 補(bǔ)塑材料含水率測(cè)試對(duì)比

圖3 補(bǔ)塑材料密度測(cè)試對(duì)比

圖4 補(bǔ)塑材料透氣性測(cè)試對(duì)比

圖5 補(bǔ)塑材料抗折強(qiáng)度測(cè)試對(duì)比

圖6 補(bǔ)塑材料抗壓強(qiáng)度測(cè)試對(duì)比

1.2.1 干燥時(shí)間

在一定相對(duì)濕度和溫度下，補(bǔ)塑材料直到恒定重量所需要的時(shí)間稱為干燥時(shí)間。把補(bǔ)塑材料裝入圓形培養(yǎng)皿中稱重，然后放入相對(duì)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(shí)間。由樣品干燥時(shí)間可知：

①玻璃微珠、天然浮石對(duì)樣品干燥速率影響較小，與傳統(tǒng)補(bǔ)塑材料干燥時(shí)間相近。添加白炭黑后干燥時(shí)間較長(zhǎng)。

②纖維方面，添加纖維的不同對(duì)干燥時(shí)間的影響差別較小。

1.2.2 線性收縮率

收縮率是評(píng)價(jià)補(bǔ)塑材料性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，所使用的材料修復(fù)前后應(yīng)有最小的收縮。由圖1測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知：

①天然浮石與傳統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)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(jié)果可知：輕質(zhì)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(bǔ)塑材料含水率越低，對(duì)文物本體的損害就越小。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2。

由圖2可知：

①天然浮石與傳統(tǒng)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(zhì)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(cè)試結(jié)果可知：輕質(zhì)材料天然浮石添加麥草時(shí)，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(bǔ)塑材料重量的減輕，可便于展陳時(shí)的搬運(yùn)，并有效阻止不可控因素的發(fā)生概率。由圖3密度測(cè)試可知：

①添加白炭黑、玻璃微珠、天然浮石后的補(bǔ)塑材料密度較傳統(tǒng)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(zhì)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(cè)試結(jié)果對(duì)比可知：輕質(zhì)材料白炭黑、玻璃微珠、天然浮石中添加麥草時(shí)的密度依次最高可降低25.9%、40.3%和4.8%；添加麻刀時(shí)，密度依次最高可降低23.2%、41.6%和8.1%。

1.2.5 透氣性測(cè)試

在與圓形培養(yǎng)皿試塊直徑相同口徑容器內(nèi)盛裝相同體積的水，將傳統(tǒng)材料與輕質(zhì)材料的試塊置于容器上方，周圍用石蠟密封。當(dāng)試塊與水面間的水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)，水分將會(huì)通過試塊向外界運(yùn)移，透氣性好的試塊，水分運(yùn)移較快，反之則慢。通過定時(shí)稱重，測(cè)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(yōu)于傳統(tǒng)材料，天然浮石與傳統(tǒng)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(yōu)于麻刀纖維。

③輕質(zhì)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(qiáng)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(qiáng)；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(cè)試結(jié)果可知：輕質(zhì)材料白炭黑中添加麥草時(shí)，透氣性會(huì)增強(qiáng)31.2%，添加麻刀時(shí)，透氣性會(huì)增強(qiáng)33.4%。

1.2.6 抗折強(qiáng)度測(cè)試

將模具中干燥的試塊4cm×4cm×16cm的測(cè)試樣品，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，設(shè)定位移速度為5mm/min。由圖5測(cè)試數(shù)據(jù)可知：

①添加天然浮石的抗折強(qiáng)度較高。

②纖維方面，麻刀纖維的抗折強(qiáng)度高于麥草纖維。

通過抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知：輕質(zhì)材料白炭黑、玻璃微珠、天然浮石中添加麻刀纖維時(shí)抗折強(qiáng)度可依次增強(qiáng)7.8%、3.8%和50.9%。

1.2.7 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

將模具中干燥的試塊處理成4cm×4cm×4cm的測(cè)試樣品，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，位移速度為5mm/min。由圖6測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)可知：

①添加天然浮石的抗壓強(qiáng)度高。

②纖維方面，麻刀纖維的抗壓強(qiáng)度高于麥草纖維。

通過抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知：輕質(zhì)材料天然浮石添加麻刀時(shí)抗壓強(qiáng)度可增強(qiáng)14.8%。

2 篩選結(jié)果與初步結(jié)論

2.1 篩選結(jié)果

根據(jù)輕質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)材料的數(shù)據(jù)對(duì)比，且依據(jù)重量輕、收縮率小、含水率低、抗折抗壓強(qiáng)度適中等的篩選原則。編號(hào)2-6與3-2是實(shí)驗(yàn)組較為理想的輕質(zhì)補(bǔ)塑材料。

①補(bǔ)塑材料2-6，其添加的輕質(zhì)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(bǔ)塑材料2-6測(cè)試結(jié)果表明，密度?。葹橹亓枯p），線性收縮率、含水率和抗折強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)補(bǔ)塑材料，抗壓強(qiáng)測(cè)與傳統(tǒng)材料測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致。符合篩選原則。

②補(bǔ)塑材料3-2，其添加的輕質(zhì)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(bǔ)塑材料3-2測(cè)試結(jié)果表明，密度?。葹橹亓枯p），含水率與線性收縮率優(yōu)于傳統(tǒng)的補(bǔ)塑材料。透氣性與抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)材料測(cè)試數(shù)據(jù)相近。符合篩選原則。

2.2 初步結(jié)論

通過對(duì)三種輕質(zhì)材料以及兩種纖維補(bǔ)塑材料的室內(nèi)篩選研究，初步結(jié)論如下：

①三種輕質(zhì)補(bǔ)塑材料中，各自所表現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯。其中添加玻璃微珠的補(bǔ)塑材料密度最小，重量最輕，線性收縮率較小，力學(xué)強(qiáng)度適中，是最理想的輕質(zhì)補(bǔ)塑材料。添加天然浮石的補(bǔ)塑材料含水率最低，力學(xué)性能最優(yōu)，對(duì)需要材料力學(xué)性能彩塑修復(fù)中有較強(qiáng)的適用性。

②在配比相同的情況下，添加麥草纖維的補(bǔ)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(bǔ)塑材料抗折抗壓強(qiáng)度較高。

注釋

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

②孫元國.中國泥塑藝術(shù)起源與發(fā)展綜述[J].聊城大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011（2）：85-86.

③④陳港泉，李燕飛，樊再軒，等.干旱環(huán)境下古代壁畫保護(hù)成套技術(shù)集成與應(yīng)用示范研究[M].北京：科學(xué)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(shí)驗(yàn)[J].敦煌研究，2007（5）：16-21.

⑥范宇權(quán)，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(zhì)及其修復(fù)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(fù)材料的室內(nèi)篩選研究[J].敦煌研究，2010（6）：34-40.