代琪

摘 要：我国有着悠久的历史文化，至今仍保留着与这些文化同时期的、具有历史价值的砖石类文物，但它们出现了严重的病害，令人担忧。文章以开封繁（读音Pó）塔为例，通过对繁塔进行实地调查、取样并结合相关文献，归纳出繁塔的病害种类并分析病害机理。同时，文章针对繁塔的典型病害设计出前期模拟实验方案，并在后期的实验操作中根据实验结果以及实验得出的相关数据对繁塔的病害进行更为深入的分析，从而提出相应的保护方案。

关键词：砖石类文物病害;机理;模拟实验;保护方案

我国有着悠久的历史文化，至今仍保留着大量与这些文化同时期的砖石类文物。但是经过漫长岁月的洗礼，它们中有许多文物不仅遭受着物理、化学、生物风化等自然原因导致的病害侵蚀，同时随着经济及现代工业的不断发展，这些砖石类文物也遭受着酸雨、空气污染的侵害以及人为破坏。导致文物所蕴含的历史、文化等价值受到不同程度的损毁，给我国文物及文化的发展造成了无法弥补的损失。

为了加强对砖石类文物的保护力度，我们需要对砖石类文物病害进行分类调查，并分析出病害产生的原因和机理，从而达到更有针对性地保护砖石类文物的目的。

文章以开封繁塔为例，通过深入繁塔进行调查取样并结合相关文献，对繁塔的病害进行分类与归纳以及对病害机理进行分析。此外，作者对于繁塔出现的典型病害设计出相应的模拟实验方案并在后期的实验操作中对繁塔的病害进一步分析，以便为繁塔的保护提供切实可行的方法。

1 国内砖石类文物病害机理概况

我国疆域广阔，不同地域之间由于所处地理位置不同，从而导致气温、海拔、降水、日照时间等因素不同。这些因素的差异同样也导致了不同地域之间砖石类文物病害机理的差别，下面将根据相关案例，划分各地域之间典型的文物病害及其机理。

通過《圆明园如园遗址石质文物病害调查研究》①《承德普佑寺石质文物病害机理研究》②等代表北方地区砖石类文物病害的研究成果，可以归纳出北方砖石类文物病害主要有：机械损伤、表面风化、生物病害、表面污染及变色。而造成病害的主要原因有：人为破坏、地下水的影响、生物及微生物的影响以及北方温差较大及降水分布不均导致砖石类文物内部结构发生变化。由于北方污染较严重、空气质量较差，空气中的二氧化硫、二氧化碳等物质遇水变成相应的酸，这些酸性物质使文物表面产生酥粉，同时也会侵蚀文物内部使其内部结构发生变化。

结合《浙江古塔的病害研究》（2018）和《桃渚城城墙病害初步调研与保护对策探讨》③等南方地区砖石类文物病害的研究成果，可以分析出南方地区砖石类文物主要病害有生物病害、表面风化等。而造成这些病害的原因主要和南方的亚热带或热带季风气候有关，该气候导致南方地区降水量大，温暖湿润。除此之外还与东南沿海台风等自然灾害有关。由此可以看出，导致南方地区砖石类文物出现病害的原因有许多，其中水患是重要原因，水自身运动、水带来的盐迁移以及潮湿的环境导致众多病害发生。

以《宁夏中卫姚滩段长城四方墩的病害调查》④《甘肃永泰古城墙体的病害调查及保护策略》⑤为代表的西北地区砖石类文物病害的研究成果可以揭示西北地区病害因素主要是由于当地的温带大陆性气候，昼夜温差大、日照时间长等因素以及植被覆盖率少、风沙频繁、地震等灾害引发了一系列病害。

通过上述的一系列砖石类文物病害产生的机理，可以在一定程度上为分析出繁塔的病害机理奠定相关理论基础，并提供与病害情况相符合的案例。现总结归纳出导致我国各地砖石类文物出现病害有如下因素。

1.1 自然因素导致的病害

自然因素包括文物所处自然环境，如温湿度、降水、自然灾害、日照时间长短、盐结晶、酸雨等综合因素。①其中自然灾害主要包括地震、台风、沙尘暴、洪水等。我国东部沿海地区砖石类文物受到台风、洪水等灾害的影响较大，西部地区受到沙尘暴、地震等灾害的影响较大。此外，温湿度以及降水的周期性变化不仅对文物外表产生损害，如出现表层剥落等现象，也对文物内部结构产生影响，如墙体膨鼓等。

1.2 生物因素导致的病害

生物病害主要包括动、植物病害，如蜂、鼠类动物在文物墙体上打洞;植物根系深入砖石缝隙，增加砖石的负荷，加剧了对砖石类文物的破坏;地衣、苔藓等植物的生长在文物表面以及真菌等微生物在文物内部滋生，这些生物会在一定程度上对砖石类文物造成破坏作用。生物因素在一程度上也受到自然因素的影响，如温湿度的变化以及降水量直接影响生物的数量以及生长环境。

1.3 人为因素导致的病害

人为因素主要包括工程建设、道路施工等对文物的破坏作用②，如在西北地区，当地居民在砖石文物墙基处挖窑洞储物，利用砖石墙体充作羊圈造成砖石墙体失稳、坍塌。另外，还包括人为污染、书写、刻画及烟熏等造成的砖石类文物污染现象及文物表面变色、不正当涂刷。③人为因素在一定程度上与当地文物保护及管理部门监管不及时、不到位有关。同时也与当地居民文物保护意识淡薄，缺乏对文物保护制度、政策和相关法律知识的学习与教育有关。

1.4 多种因素结合导致的病害

①自然因素与人为因素结合：裂隙、空鼓等;

②自然因素与生物因素结合：表面风化（由于长期风吹日晒、雨水冲刷、生物破坏等多种作用），包括表面粉化、可溶盐结晶④等;

③多种自然原因结合：溶蚀等;

④有些病害类型属于文物自身材质属性所特有的，如陕西建安堡由于墙体自身属性导致风化和酥碱等病害的出现⑤。

通过对我国各地区砖石类文物病害及其机理的分析并阅读大量有关砖石类文物病害的文献，可以看出我国各地砖石类文物病害有如下特点：

①导致砖石类文物发生病害的原因主要有自然、生物、人为因素以及各种因素的结合。

②不同区域、不同材质的文物产生病害的原因各有差异，这与该地特有的因素及文物自身条件有关。

③虽然部分地区在进行砖石类文物病害调查时使用现代科技手段进行了系统、全面的检测与调查，但是仍有大部分地区的文物病害调查亟须相应现代科学技术手段的支持。此外，也需要当地文物部门及政府在资金方面的支持。

④虽然各地对于相关砖石类文物病害的调查比较全面，但缺乏与其他外部地区的对比及本地区不同区域之间的汇总与归纳。

⑤部分地区尚未对本地区特有的文物病害出台具有针对性的解决方法，部分地区居民文物保护意识较弱，应加大文物保护宣传力度。

2 开封繁塔概况及保护环境

繁塔位于河南省开封市，始建于北宋开宝七年（974），为全国重点文物保护单位，是中原地区现存最早的一座宋代佛教建筑⑥。繁塔现存三层，三层之上加筑顶峰，通高36.68米，塔基面积501.6平方米。繁塔塔身内、外镶嵌近7000块佛砖，共108种图案。繁塔内保存着许多珍贵的石刻，其中北宋石刻197方，清代石刻2方，共199方。

繁塔地处河南省中部偏东区域，是黄河冲积平原的顶端，气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，冬寒夏热，四季分明，年平均气温14.2摄氏度，年均降雨量631.1毫米，降水主要集中在夏季，冬季降水量较少。

开封市空气质量指数较差，空气污染严重，大气颗粒物（TSP、PM10）近十年年均污染损害指数最大，达到中度污染。开封市空气污染以尘和二氧化碳为代表的煤烟型为主。⑦主要污染因素有：气候和人为原因造成的风沙扬尘、建筑施工尘，燃煤污染，机动车尾气污染和饮食业烟尘油烟污染等。

总体来看，降雨的季节变化以及较大的温差与过度的空气污染均不利于繁塔的户外保存。

3 繁塔现存主要病害

砖石类文物病害种类众多，繁塔也不例外。由于繁塔处于露天状态，在很大程度上受到环境因素的影响，随着时间的积累，繁塔存在非常严重的断裂、破碎、表面风化、表面污染及变色等现象。地下水、生物及微生物也对繁塔造成了破坏。此外，由于开封位于黄泛区，黄河水泛滥也对繁塔造成了损害，其下部大部分被泥沙淹没，致使繁塔的高度降低，塔基下面的建筑情况也很难看到。除了受到自然因素的破坏外，战争也使繁塔遭受了一定程度的破坏，如今塔身内还存有一颗日军炸弹。

繁塔病害的种类、所处位置、表现以及特征见表1。

4 繁塔现存主要病害机理分析

大部分的砖石类文物由于长期处于室外，遭受到不同程度的侵害，导致砖石类文物产生病害的因素主要有砖石自身属性、周围环境和人类活动等因素。

4.1 表层片状剥落

造成繁塔出现表层片状剥落的原因主要有以下几点：

①自繁塔建成至今，共经历六十余次大大小小的地震①，这使得繁塔内部砖石表层出现剥落现象。

②在繁塔北部，距离它250米处是陇海铁路，每天来往列车频繁，对繁塔产生振动影响，在一定程度上加剧了繁塔表层片状剥落。

③开封气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，冬寒夏热，温度周期性变化大，夏季气温高使得繁塔砖石膨胀，冬季气温低使其收缩，长期在冻融的作用下造成表层剥落的状况。

4.2 表面泛盐

繁塔二层内壁大部分砖石表面出现泛盐情况，主要是由于繁塔壁砖之间空隙率较大，繁塔内部温度低、空间狭小不利于通风，湿度大，空气中水蒸气较多，在水的侵蚀下，致使大量可溶盐在繁塔内部表面富积，通过循环结晶作用破坏表面结构使繁塔表面发白泛盐。

4.3 表面粉化剥落

繁塔二、三层内壁表面粉化剥落现象严重，主要是由于开封气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，冬寒夏热，温度周期性变化大，长期受到冻融作用以及空气中的水蒸气、雨水和地下水的影响。此外，可溶盐在这些砖石表面堆积使得繁塔内部砖石表面出现粉末状物质，并且粉化部分积聚程度小，脱落速度快。

4.4 表面溶蚀

繁塔三层内壁表面溶蚀严重，主要原因在于开封空气污染严重且以煤煙型为主，空气中碳、硫等物质含量较大，导致开封雨水pH值较小。开封市酸雨出现主要集中在2～11月，春季和秋季的酸雨强度最大，夏季次之，冬季最小。开封市出现pH值小于5.6以下的酸雨的次数最多，pH值小于4.5的较强酸雨次数略少一些，pH值小于4.0以下的强酸雨的次数最少②，开封市强酸雨出现次数呈逐年增加的趋势。正因如此，每当酸雨来临时，繁塔三层靠近外部的顶洞附近受酸雨腐蚀影响较大，经年累月使得繁塔表面溶蚀情况严重。

4.5 空鼓

繁塔三层内部空鼓现象严重，主要是由于开封气温周期性变化大，繁塔自建造以来经历了数百年的冻融作用，在一定程度上使得砖石表面膨胀发生空鼓现象。除此之外，在早先修复的过程中，由于材料有限及对文物保护的认识不足，采用了大量水泥砂浆作为修复材料，使得这些修补的部分已经出现大面积空鼓、开裂现象。

4.6 浅表性裂隙

繁塔二、三层内部薄弱夹杂带附近出现浅表性裂隙现象，原因在于繁塔内部空气湿度大，且空间狭小通风性较差，下雨时水蒸气滞留在其内部不易挥发;内部潮湿的环境以及大量的水蒸气使得内部砖石在水的作用下易造成片层间胶结质流失;过多水分侵入砖石层里，冬季气候严寒时极易发生融冻破坏作用，在冰劈的作用下致使砖石表面发生片状开裂现象，严重时裂隙相互交切发生大面积龟裂，对整个繁塔的稳定性构成威胁。

4.7 机械裂隙

繁塔外部塔身出现机械裂隙，主要原因在于在繁塔建造的几百年间，常年遭受战争及人为的破坏。历史上繁塔经历了60余次地震，黄河水的泛滥使得繁塔地基沉降，在外力的扰动下塔身外部受力部位发生开裂以及断裂现象。

4.8 表面污染与变色

繁塔早期管理松懈、相关保护制度不完善使得繁塔内部人为涂鸦、书写、刻画现象严重，历史上繁塔遭遇过数次大火的焚烧。近代，附近居民出于对繁塔内部佛像的敬畏，在繁塔内部烧香祈福，造成内部砖石受到烟熏而变色等污染现象明显。

4.9 生物病害

开封四季分明，光照充足，气候温和，适合植物生长。繁塔处于露天环境中，风雨中带来的灰尘和昆虫、鸟类活动带来的丰富的有机物附着在塔身，加之适宜的气候条件，使得野草和树木生长在塔身，鸟类在塔檐筑巢。表面生长的植物会对繁塔产生根劈破坏作用，而其在生长过程中通过新陈代谢产生的大量有机酸碱也会对繁塔造成腐蚀破坏作用，对塔本身造成了严重的损害。

5 典型病害机理的模拟实验方案

通过上述对繁塔病害的归类及其机理的分析中可以看出，繁塔病害众多，其中大部分病害产生的原因与可溶盐的侵蚀以及溶蚀作用有关。下面笔者将针对这两种典型病害的机理设计出前期模拟实验，并通过后期实验操作得到的实验结果以及相关数据对繁塔的病害进行更深入的分析。

5.1 可溶盐模拟腐蚀实验

可溶盐模拟腐蚀实验需要通过可溶盐浸泡和盐雾老化实验来模拟繁塔的腐蚀环境，从而验证可溶盐对繁塔的破坏，并对部分样块用几种不同的表面封护剂做表面封护处理，对比效果。具体实验步骤如下：

①实验前需对繁塔进行实地取样，采取繁塔基体材质并将其进行编号，之后进行密封带回实验室，用偏光显微镜和X-射线衍射仪对繁塔基体材质及表面腐蚀产物进行分析，得出繁塔基本材质的主要成分。

②提取与开封繁塔质地基本相同的岩石样品，利用切割打磨机将其切割成尺寸相同的若干样块，将其表面打磨平整并进行编号。

③对样品进行表面除尘，并用电子秤对样块进行原始重量测量和亮度测试。

④配制占繁塔石质文物表面可溶盐主要成分的盐溶液，对石材本体样品及表面含盐风化物进行石材表层及表面风化物含盐量检测。

⑤配置不同浓度的封护溶剂对样块的表面进行涂刷封护。待样块表面溶剂基本渗入后，再进行涂刷，重复几遍后放置让其阴干。

⑥配置不同浓度的标准盐溶液，将一部分样块放入该溶液中，使得样块被半浸泡，之后密闭容器。选取剩余未进行实验的样块进行盐雾老化实验和空白浸水实验。

⑦浸入盐溶液一周后取出试样，并在室温下阴干至重量不再改变，测量其重量及色度。重复以上浸泡和盐雾老化过程6个周期，在每个周期结束后测量其重量及色度。

⑧将腐蚀样块放置于材料试验机下，给试样施加负荷并记录试样破坏时的载荷值。

⑨通过对比实验前后测量的数据，观察可溶盐浸泡实验变化以及盐雾实验效果，从而得出结果并进行分析。

5.2 冻融模拟实验

5.2.1 实验过程

提取与繁塔质地基本相同的砖石样品，利用切割打磨机将其切割成尺寸相同的若干样块，将表面打磨平整，之后用清水洗净试样，并将其置于与其保存环境最高温度相同的清水中浸泡48小时，取出后放入与其保存环境最低温度相同的冷冻箱内冷冻4小时，再将其放入清水中融化4小时，反复这一冻融过程25次。对阴干后的样品进行拍照、重量以及强度变化的测量。

5.2.2 寻找出现明显剥落现象的样品，并找出强度下降明显的样品

通过得出的结果以及测试的相关数据分析出繁塔砖石材料的特点以及应采取的相应的保护措施。

5.2.3 预期实验结果

结合繁塔的腐蚀产物和开封当地大气环境，可以得出导致繁塔出现病害的主要因素。通过实验室模拟繁塔腐蚀环境以及人工加速繁塔老化实验，经过可溶盐腐蚀和冻融两种实验后得出的相关数据对繁塔的病害进行更加精确的分析，据此可以给出相应的保护方案。

6 繁塔病害的保护建议

①通过对繁塔产生的病害进行相应的机理分析，从中可知繁塔一部分病害产生的原因主要与气候、大气污染物以及灾害等有关，所以应定期对繁塔所处环境温湿度变化、大气污染物成分以及灾害性天气进行監测，以便及时掌握这些因素对繁塔的影响程度。

②针对繁塔出现的生物病害，应进行日常性维护保养，及时检查并清理繁塔表面的动植物、微生物和灰尘等沉积物，必要时进行杀虫、杀微生物处理，对于墙体上生长的一些草本植物，可使用灭草剂等杀死植株。对于大型植物，如树木，由于其根茎可能已经深入繁塔内部，故应该留在墙体内部不做处理，防止对墙体结构造成更大的破坏。

③对于机械性损伤、裂隙等病害应提前采取有效防御措施，最大限度消除繁塔受到更大损伤的隐患。

④在保持繁塔历史原真性前提下，对病害表面泛盐严重的部位进行脱盐处理并及时加固、修补、封护。

⑤使用渗透性能强、透气性能好、耐酸碱的表面防护材料，阻止或减少水的渗透和污染物的化学侵蚀。

⑥需要开封政府以及文物部门进行资金支持，使用现代科技手段对繁塔病害进行系统、全面的检测与调查。

⑦可以借鉴其他地区病害治理的成功案例并结合繁塔自身属性制订一套适合繁塔的病害防治方案

⑧加大文物保护宣传力度，加强当地居民文物保护意识，同时提高文物修复人员的修复技术。

7 结语

笔者通过对繁塔进行实地考察并取样，总结归纳出繁塔主要有以下九种病害：表层片状剥落、表面泛盐、表面粉状剥落、表面溶蚀、空鼓、浅表性裂隙、机械裂隙、表面污染与变色、生物病害。

笔者结合繁塔的历史以及开封的自然、人文环境和其他因素，大致分析出繁塔病害的主要机理，并从中发现可溶盐的侵蚀和冻融作用为繁塔病害产生的主要原因。针对这两种典型的病害机理设计出可溶盐模拟腐蚀实验和冻融模拟实验的实验方案，下一步笔者将对这两个实验进行操作，并通过实验得到的相关数据以及相关文献，对繁塔的病害进行精确分析，制定准确的保护方案。

文中难免有疏漏和不当之处，请各位读者批评指正。