关键词：
石窟寺
地仗层
澄板土
烧料礓石
天然水硬性石灰
保护材料
摘要：
由于古丝绸之路的繁荣与宗教的传播,我国古丝绸之路沿线开凿了大量的石窟寺。壁画是这些石窟中最为珍贵的文物之一,具有极高的历史、文化、社会、科学和艺术价值。由于洞窟开凿（或建造）后的支撑体表面不平整,因此“地仗”工艺被应用于石窟壁画的制作中,即古代工匠用土掺加一些动植物纤维加水调制成泥,而后涂抹于支撑体之上,待制作的地仗干燥后再在其上打上底色进行作画。显然,地仗层是石窟壁画中至关重要的一层,是画层与支撑体间的中介,亦是壁画画面的直接载体。壁画病害的出现大多与壁画中泥质的地仗层有直接或间接的关系。因此,对地仗层进行全面系统的研究是后续采取科学保护措施以及合理选择修复材料的前提。然而,对壁画中泥质地仗层的物理、化学及岩土工程特性却鲜有系统全面的研究,对水硬性石灰等地仗潜在的修复材料的研究也较为缺乏,这对地仗层长久的保存以及开展有效的保护是非常不利的。本文以石窟壁画地仗层为研究对象,通过对部分石窟壁画地仗层进行野外调查和取样明确了地仗层的结构特点及主要类型,并结合室内试验分析查明了地仗土的物质组成及来源;通过制作模拟原始地仗试样用于干燥收缩及开裂试验,分析了其干燥收缩过程及表面开裂形貌,从而阐释了古代地仗制作工艺的科学内涵;通过引入天然水硬性石灰材料,对原始地仗与天然水硬性石灰改良的地仗的物理、水理等特性进行了系统的试验研究,定量评价了水硬性石灰对地仗物理性质的影响;通过设计剪切试验定量表征不同类型地仗与不同类型的支撑体之间的粘结强度,结合支撑体表面形貌特征以及剪切破坏模式分析了地仗-支撑体间的粘结特性;通过对水硬性石灰-澄板土混合浆体水化过程的物质组分变化、力学强度的发展以及微观结构进行研究,明晰了水硬性石灰的固化机理。通过吸力测量、氮气吸附测试,结合孔隙结构及差热分析,明确了水硬性石灰的掺加对于地仗持水性能的影响。本文的主要研究成果如下:
（1）石窟壁画的地仗土取材于石窟附近河床或漫滩相的沉积土。古代地仗在制作过程中并未人为添加石灰,其内部胶结完全依靠土颗粒之间的团聚和纤维组成的网络。地仗中检测出的盐分并非地仗土中本身携带,而是通过其中的毛细孔隙从支撑体中不断地运移积累的。
（2）古代地仗制作过程中采用的掺砂和掺加植物纤维的方法很大程度上改善了地仗的收缩和开裂特性。砂粒及植物纤维的添加均能显著提升澄板土的缩限值,从粗泥层到细泥层的双层地仗工艺逐步的消除了地仗干燥过程中主裂隙-次生微裂隙的生成,有效地解决了地仗土在干燥过程中的收缩和表面开裂问题,体现了古代壁画制作工艺的科学性及古人的智慧。
（3）原始的地仗制作工艺以及掺加水硬性石灰的方法,对地仗各性质的影响各有优缺。掺加砂粒、植物纤维的方式对收缩有一定改善,对色差影响也较小,而且植物纤维很大提高了地仗的表面抗冲击性能,但是水稳定性较差。掺加水硬性石灰后极大的提高了地仗的水稳定性,并由于表面的碳化作用而增强了地仗表面的疏水性,但水硬性石灰对色差的影响较大。因此,在受水影响较大的工况中,掺加水硬性石灰的地仗是较优的修复材料,而不考虑水的工况中,采用原始地仗的物质组成配比则是修复材料的更佳选择。
（4）当地仗应用于不同类型的支撑体时,支撑体的类型不影响地仗的径向收缩。地仗中添加的植物纤维可以增强地仗与支撑体界面之间的粘结和摩擦力,从而提高界面的剪切强度。此外,支撑体表面的粗糙度和支撑体本身的强度是影响地仗与支撑体有效粘结的重要因素,且粗糙度与界面剪切强度之间存在正相关关系。在不同类型支撑体上剪切地仗试样时,由于粘结界面强度、支撑体强度和表面粗糙度的影响,因此表现出不同的剪切破坏模式。
（5）水硬性石灰中的水硬性组分主要为β-C2S。烧料礓石试样的早期强度低于两类欧洲天然水硬性石灰试样,且凝结时间较长。养护至90天龄期后,在烧料礓石水化和碳化过程的共同作用下,试样的单轴抗压强度显著的提高,并且可以通过控制烧料礓石的掺量来调节试样的强度。烧料礓石试样中形成的水合物表现出凝胶状特征,欧洲天然水硬性石灰试样中的水合物多表现为棒/针状晶体,穿插在黏土颗粒周围,使得后者内部具有更多的大孔隙。
（6）水硬性石灰的水化和碳化产物改变了地仗的孔隙结构,使得总体孔隙率增大的同时大孔隙的占比也有所提升,孔隙的增加使得试样的持水性能在毛细主导阶段均有所增强。同时,水硬性石灰的水化产物团聚了比表面积较大的黏土颗粒,减弱了试样的吸附性能,使得试样在吸附主导阶段的持水性能反而减弱。
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