徽州地区石质牌坊病害机理研究

姚政权++杨娟++徐靖++魏国锋++秦颍

徽州，地处皖、浙、赣三省交界，文化底蕴丰厚，是明清徽商故里，是中国正统儒文化传承的典型区域，被誉为“东南邹鲁”。在徽州地区现存的建筑遗产里，徽州牌坊以其鲜明的地域特性，与民居、祠堂一起构成徽州最具特色的建筑形式和人文景观，是儒家伦理道德的物化象征，浓缩了徽州建筑乃至徽文化的基本特质，可谓徽文化的缩影。

现存的徽州牌坊长期处于户外露天环境，保存现状大都不太稳定，各种自然营力（日照、风、雨、生物寄生、大气污染等）和人为营力（农耕生产、车辆行驶产生的尾气、灰尘、震动等）都持续作用于牌坊本体或基础。石材风化剥蚀日趋严重，粉化、剥落、裂隙、断裂、灰浆流失、生物寄生等现象随处可见，牌坊表面遍布藻类、藓类、地衣等生物，石材表面脱落，雕刻模糊不清。更有甚者，一些裂隙发育已严重影响到牌坊的结构稳定性，其病害情况可以说是触目惊心。因此，对牌坊开展科学系统的病害调查、评价和分析，探明其病害机理十分必要和迫切。

2013年，安徽省文物考古研究所承担了文化部国家文化科技提升计划项目“徽州牌坊的保护修复与数字化展示研究”。课题组对歙县、绩溪、黟县等地现存的28座石质徽州牌坊进行了系统的病害调查。从所调查的28座石质牌坊的病害发育情况来看，各类病害在徽州石质牌坊上的发育呈现多样化的特点，随其赋存环境、石材材质的不同而表现出不同的劣化现象。在所调查的28座石质牌坊中，低等生物病害、生物斑迹（特别是黑色结壳）和水锈病害普遍比较发育。尽管这些病害对石质牌坊的危害较为缓慢，但对徽州牌坊的侵害是持续不断的，容易和其他劣化因素共同作用，加速石质牌坊的风化。同时，低等生物病害、生物斑迹（特别是黑色结壳）和水锈病害的存在对徽州牌坊的风貌也会产生较大的影响。其次，徽州牌坊石质构件还存在缺损、风化剥蚀、断裂、裂隙等病害，严重的甚至危及牌坊的安全。而且不同材质构件所呈现的剥蚀病害形式存在较大差异，砂岩类构件风化最为严重，凝灰岩和灰岩构件次之，花岗岩构件风化程度最小。此外，不当修补和其他人类活动也对徽州石质牌坊形成危害。

各类病害在徽州石质牌坊上发育的原因是复杂的、多方面的，往往是各种因素综合作用的结果。有自然的物理、化学和生物过程，也有人为因素的影响。长期处于露天环境的徽州石质牌坊，其各类病害的发育与其岩石特征、所处环境密切相关：1.岩性和岩体结构是其风化的物质基础，是内因。不同的岩石具有不同的矿物组成和结构构造。不同矿物的溶解性差异很大，节理、层理和孔隙的分布状况和矿物的粒度，又决定了岩石的易碎性和表面积，这就使得徽州牌坊不同石材构件的病害类别、病害发育程度各有不同。2.气候、气象条件是石质文物风化病害的外因。气候因素主要是通过气温、降水以及生物的生长繁殖状况而表现的。3.人为因素。人为因素包括的范围比较广，既有历史时期（特别是文革时期）对徽州牌坊的人为破坏，譬如对额枋上雕刻的破坏、石灰涂刷等，也有人们生活、生产活动所造成的损害，譬如杂物堆放、汽车尾气、农业生产等，以及保护修复过程中所采用的水泥、铁质钯钉等不当修补。

一、徽州牌坊石质构件的岩石特征

徽州石质牌坊属于地面石质建筑物及构筑物，其基本结构一般由基座、立柱、额枋、字板（匾额）和檐顶五个部分组成。建造徽州石质牌坊所使用的石材主要有凝灰岩（茶园石）、灰岩（黟县青）、花岗岩（白麻石）和砂岩。徽州石质牌坊或由单一石材整体构筑，或以花岗岩构筑立柱等承重结构，额枋、字板等部分则采用茶园石或砂岩，如薇省坊、奕世尚书坊等。在这四类石材中，花岗岩的主要成分是硅酸盐矿物，能够很好地抵御化学风化，所以在徽州牌坊中经常被用作承重的立柱。而凝灰岩、灰岩和砂岩均具有沉积岩特性，容易发生风化。石材矿物组成和结构构造的差异使得徽州牌坊不同石材构件的病害类别、病害发育程度各有不同。

在徽州石质牌坊中使用最多的是产自浙江淳安茶园镇的茶园石（“淳安县东五十里茶坡，溪南两峰相峙，其山产青碧坚石”），如许国石坊、县学甲第坊、进士坊等完全由茶园石所建。茶园石质地韧柔而均匀，采前石质较软，大小厚薄因需而取，采出后逐渐变硬，且不易风化，故有“天下美石出茶园”之说，是浙西、徽州一带主要建筑材料。据史料记载，南宋迁都临安时，宫殿、御道、碑亭、牌坊等建筑所用石质构件均为茶园石。民国《歙县志》曾指出：徽州歙县等地“道路皆以石成之，虽穷乡僻壤，入山小径，靡不石也”。这些道路使用的石料，基本上都来自茶园。

图1～图3是取自绩溪龙川奕世尚书坊掉落茶园石构件样品的岩相和XRD分析结果，样品分析由中国科学技术大学科技史与科技考古系完成。根据岩相显微观察，该构件为晶屑凝灰岩。碎屑主要由石英、长石及少量云母等暗色矿物晶屑及少量岩屑和玻屑组成，含量在40%～50%。暗色矿物及长石泥化明显，玻屑塑性变形不明显，有脱玻化现象。基质主要有火山灰及粉砂级石英等组成，结合衍射物相分析看，这些火山灰等已蚀变和风化成（方）沸石、蒙脱石等。

凝灰岩在工程地质中被划分为软岩，其干强度较好，结构细致均一，质地又不太硬的晶屑凝灰岩常作为建筑雕刻石材。凝灰岩为火山活动喷达地表后火山灰冷凝固化形成，具有沉积岩的特征，为火山碎屑凝灰结构。“凝灰”主要由小于2毫米的火山碎屑组成，碎屑成分主要是火山灰，其中以玻屑凝灰岩、晶屑-玻屑凝灰岩最常见，具典型凝灰结构。

结合宏观病害调查和岩相、X衍射分析，奕世尚书坊的晶屑凝灰岩构件已经风化较为严重。从宏观上看，主要表现为片状剥落风化和溶蚀；微观上则表现为脱玻化和蚀变，产生了沸石和蒙脱石等风化产物。应该是发生了物理风化和化学风化相结合但以前者为主的风化。

徽州石质牌坊中使用仅次于茶园石的石材是产于徽州本地的“黟县青”，棠樾牌坊群、黟县刺史牌坊都是此种石材。黟县青，又名黟山清水石，石材软硬适中，是徽州“三雕”之石雕主要用石。

图4～图6是取自黟县刺史牌坊样品的岩相照片，样品分析由中国科学技术大学科技史与科技考古系完成。从岩相分析结果来看，1号样品为黑-灰黑色含碳质钙质板岩，含少量粉砂级石英、云母颗粒，见星点状黄铁矿，具微细层理。2号样品为灰黑色钙质板岩，含少量碳质及石英颗粒。

板岩是具有板状结构，基本没有重结晶的岩石，是一种沉积岩，原岩为泥质、粉质或中性凝灰岩。板岩的颜色随其所含有的杂质不同而变化：含铁的为红色或黄色，含碳质的为黑色或灰色。因此一般以其颜色命名分类，如灰绿色板岩、黑色板岩、钙质板岩等。由于表现出大变形和流变特性，板岩被工程界定义为软弱围岩。从刺史牌坊岩性来看，以碳质板岩为主，力学性质很差，其岩性具膨胀性，属变质岩，遇水即风化易崩解。

另外，刺史牌坊所用石材（板岩）内部含有黄铁矿（FeS2），肉眼可见板岩内含有星点状的金属光泽。黄铁矿风化后会变成褐铁矿（FeO（OH）·nH2O）或黄钾铁矾。这是牌坊石材表面黄褐色条纹污染产生的主要原因。

二、徽州石质牌坊病害发育的环境因素

（一）歙县自然地理概况

歙县位于安徽南部，地处东经118°15′～118°53′，北纬29°30′～30°7′，属于中亚热带与北亚热带过渡区。东北与绩溪县和浙江省临安市交界，东南与浙江省淳安县、开化县毗连。总面积2122平方公里，丘陵面积约占总面积95%。境内河溪纵横，森林茂密，生物多样，七山一水一分田，一分道路和庄园。

歙县属亚热带季风气候，年均气温16.4℃，多年平均降水日数154.3天，降水量为1536.2毫米，属皖南多雨区。据天气网统计，自2011年元月1日到2016年4月1日，歙县共出现：雨840天，多云673天，晴203天，雪58天，阴52天。

（二）歙县2013年～2015年温湿度变化数据分析

1.2013年11月～2015年11月气温变化情况

课题组采集了2013年11月1日～2015年11月30日每天的最高气温和最低气温，日最高气温波动范围1～38℃，日最低气温波动范围-7～26℃，气温日较差在1～19℃范围内波动。

岩石是热的不良导体，随着大气温度变动，表层与内部受热不均，产生膨胀与收缩，在石质文物表面形成裂隙。因此，气温波动对徽州石质牌坊病害的物理作用机制，主要是牌坊石质构件的热胀冷缩所产生的温差应力[1]作用于构件表面，沿原生微结构面拉裂扩展，从而在石质构件表层发育片状开裂以及剥落病害，同时使得风化营力继续向石质构件内部侵入。此外，徽州地区冬季低温高湿的气候条件也会使得牌坊构件经受冻融、冰劈伤害。

2.2013年11月4日～2015年11月4日湿度变化情况

课题组采集了2013年11月4日～2015年11月4日每天的最高、最低相对湿度和对应的温度，并计算出相应的绝对湿度。在此期间，日最高相对湿度波动范围为46%～100%，日最低相对湿度波动范围为10%～96%，日波动幅度在2%～81%之间。为了更直观地表征大气中水蒸气含量的实际多少，课题组根据相对湿度数据和对应温度，计算了每日大气绝对湿度的变化范围。经计算，日最高绝对湿度的波动范围为2.08g/m3～23.36g/m3，日最高绝对湿度的波动范围为0.83g/m3～22.96g/m3，绝对湿度日较差最大可达到9.66g/m3（表1）。

表1 采样期间歙县绝对湿度日变化极值

温暖潮湿的气候环境有利于化学风化作用的进行。氧化作用、溶蚀作用、水解作用、水化作用、碳酸化作用以及生物化学作用等一系列化学风化作用过程都比较活跃和强烈。同时，多雨天气会使得随风化作用分解的元素或化合物随水流失，风化速度加大，从而使得牌坊石质构件遭受破坏。同时，温暖潮湿的环境非常适宜低等植物（苔藓、地衣、蕨类等）的生长。而且大气中硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等有害气体易于和空气中水蒸气形成无机酸，腐蚀石质牌坊，使得石质牌坊表面的精美纹饰逐渐模糊，字迹漫漶不清。

（三）歙县2013年～2015年大气污染物数据分析

1.大气污染物

对徽州石质牌坊产生危害的大气污染物主要有硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等有害气体以及悬浮颗粒物、臭氧等。课题组采集了2013年11月1日～2015年10月31日期间黄山市环境保护局发布的空气质量日报数据。黄山市中心城区的监测数据为：可吸入颗粒16～333μg/m3，细颗粒物5～188μg/m3，一氧化碳14～1186μg/m3，二氧化硫5～65μg/m3，二氧化氮6～72μg/m3，臭氧日最大1小时平均值32～52μg/m3。2015年底，黄山市在歙县黄山东路89号布设了监测点，其空气质量实时发布系统数据更能代表歙县的大气污染物浓度（图7、图8）。

从监测数据来看，徽州地区的空气质量相对较为优良，由氮氧化物、硫氧化物所导致的牌坊石质构件化学风化作用不剧烈，更多表现为长期缓慢作用，这一点也与岩相分析结果较为一致。

大气中悬浮颗粒物所形成的附积病害在牌坊上发育具有下述特点：（1）处在人流密集的景区和车辆往来频繁的公路附近的牌坊上附积病害相对较为发育。（2）牌坊上檐顶、斗拱和额枋的雕刻部分容易积累浮尘。这说明徽州石质牌坊上附积的悬浮颗粒物主要还是源自土壤、公路和建筑扬尘，与人类活动关系密切。而且雨水冲刷不到的隐蔽部位更容易附积灰尘。

2.酸雨

皖南地区酸雨的频率较高，是酸雨影响的重要区域。根据《安徽省环境状况公报》，2005年，黄山市酸雨频率73.8%；2006年黄山市酸雨频率82.4%；2007年黄山市酸雨频率59.6%，降水年均pH值4.66；2008年黄山市酸雨频率68.1%，降水年均pH值4.96；2009年黄山市酸雨频率67.5%；2010年黄山市酸雨频率72.3%，降水年均pH值低于5.6，黄山市为中酸雨区；2011年黄山市酸雨频率70.1%；2012年黄山市酸雨频率90.5%；2013年黄山市酸雨频率84.2%，降水年均pH值低于5.6；2014年黄山市酸雨频率78.8%，降水年均pH值低于5.6。

唐先干等[2]对皖南山区2007年4～11月雨水中主要阴、阳离子测定表明：雨水中的SO42-是含量较高的阴离子，其平均含量为39.69μeq/L。阳离子中Ca2+的最高浓度和平均浓度都是最高的，分别达到了385.98和68.82μeq/L，雨水中的Ca2+除了主要来自土壤、公路、建筑扬尘和周边的石膏粉工业外，可能还有来自北方尘土的远程迁移。降水中高浓度水平的NH4+说明了有较强的NH3来源，其主要来自农业中氮肥的施用、生物过程和生物质的燃烧，还有周边城市的汽车尾气排放、化工排放。

从上述大气污染物浓度数据和酸雨检测分析数据来看，皖南山区大气污染的特征是SO2和NOx并重的复合型污染，主要是一些较近源的农业活动和远源的工业污染的结合。大气污染物和水汽结合，以酸雨的形式腐蚀石质牌坊构件。腐蚀产物在雨水的冲刷作用下，既能导致构件表层胶结物流失，又会在构件表面产生条痕状水锈结壳。大气污染物中的悬浮颗粒物在石质文物表面形成附积，吸附水分，还能给低等植物提供养分。同时，悬浮颗粒物中的Fe、Ni、Cr等金属氧化物能够催化SO2的氧化速度，加速石质文物风化。

三、徽州石质牌坊构件可溶盐含量的测定

课题组在进行病害调查时，从奕世尚书坊和柏台世宠坊上采集了小块岩石样品，委托安徽大学进行可溶盐含量测定，数据如图9、图10所示。

从奕世尚书坊和柏台世宠坊样品的离子色谱数据来看，徽州石质牌坊构件可溶盐的阳离子有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+，阴离子为Cl-、NO3-和SO42-。可溶盐的离子构成与雨水的离子构成略有差异，这是因为可溶盐的离子来源还包括石质构件的风化产物和地下水中所含离子的迁移。

盐类风化病害理论上[3][4]认为主要是由三方面的原因引起的：（1） 结晶压力，即蒸发作用导致溶液发生过饱和作用，溶液中的可溶盐结晶并对孔隙或裂隙内壁产生膨胀压力。（2） 水合压力，即部分可溶盐遇水发生水合作用而膨胀，对孔隙或裂隙内壁产生膨胀压力；溶盐析出时晶体体积膨胀，产生很大的结晶压力或水合压力（如CaSO4·n H2O的结晶压力可达100～200MN/m2）。反复的溶解和结晶足以胀破石材微孔，形成表面裂纹甚至片状剥落。（3） 温差应力，即可溶盐与不可溶岩石矿物的热膨胀系数存在差异，在快速升温或降温过程中岩石晶体之间产生温差应力。

由于徽州地区高湿多雨的气候条件，在石质牌坊构件表面基本没有明显的盐晶。但是，在柱座石、立柱底端多发的片状剥落与可溶盐的活动应该关联较大，因为自牌坊上方淋溶携带的盐分和地下水中所含盐分的迁移都会作用于这个区域。

四、徽州石质牌坊生物病害机理

低等生物在石质牌坊构件表面附着生长，其生长过程实际上就是与岩石矿物基质相互作用的过程。文献[5]-[8]从生物种类、侵蚀过程和作用机理等角度论述了真菌、苔藓、地衣、藻类和蕨类等低等生物对石材的侵蚀作用。

徽州地区温暖湿润的气候条件非常有利于低等植物生长。在病害调查过程中，课题组也发现徽州石质牌坊上低等生物病害和生物斑迹（特别是黑色结壳）普遍比较发育，檐顶、夹杆石和柱座石等处往往是苔藓、地衣等低等植物丛生，而且低等植物死亡后在牌坊构件表面形成大面积的黑色、白色生物斑迹。

低等植物的污染和腐蚀不仅破坏了徽州牌坊的风貌，更可导致石质构件表层的物理和化学性状发生变化，使其抵抗外界自然风化的能力降低，并最终造成牌坊构件表面变色、结壳、孔隙增多、剥蚀等现象，甚至遮盖、破坏牌坊表面的雕刻和文字等珍贵历史文化信息，使得徽州石质牌坊的寿命以及文物价值大大降低。

在徽州石质牌坊上，高等植物病害出现很少，但其危害却是不容忽视的。柱座石底部杂草对牌坊的影响甚微，但个别牌坊（世科坊）檐顶上方生长的木本植物，若不及时清理，其根系生长的根劈破坏必然会危及牌坊的安全。此外，也有少数牌坊（如尚宾坊、宋登仕郎鲍公墓道坊）的附近有大型木本植物生长，其根系有可能会危及牌坊的基础。而且木本植物的枝桠会侵入牌坊空间，对牌坊造成挤压。

五、结语

徽州石质牌坊长期处于露天开放环境，各类病害在徽州石质牌坊上的发育呈现多样化的特点，随其赋存环境、石材材质的不同而表现出不同的劣化现象。课题组从徽州石质牌坊构件的岩石特征、大气污染物、气候环境和可溶盐等几个方面探讨了其病害发育机理：

1.石材矿物组成和结构构造的差异使得徽州牌坊不同石材构件的病害类别、病害发育程度各有不同。徽州石质牌坊中使用最普遍的茶园石（凝灰岩）宏观上的呈现片状剥落风化和溶蚀病害现象，微观上则表现为脱玻化和蚀变，产生了沸石和蒙脱石等风化产物，应该是发生了物理风化和化学风化相结合但以前者为主的风化。而另一较重要的石材“黟县青”为钙质板岩，其岩性具膨胀性，力学性质很差，也易于和大气污染物、酸雨发生反应，发表面生溶蚀病害。另外，板岩内部含有黄铁矿（FeS2），风化后会变成褐铁矿（FeO（OH）·nH2O）或黄钾铁矾，这是牌坊石材表面黄褐色条纹污染（锈变）产生的主要原因。

2.皖南山区空气质量相对较为优良，但酸雨频率较高。大气污染的特征是SO2和NOx并重的复合型污染，主要是一些较近源的农业活动和远源的工业污染的结合。大气污染物和水汽结合，以酸雨的形式腐蚀石质牌坊构件。温暖潮湿的气候环境对化学风化作用的进行比较有利，腐蚀产物在雨水的冲刷作用下，既能导致构件表层胶结物流失，又会在构件表面产生条痕状水锈结壳。悬浮颗粒物导致的附积病害在身处人流密集的景区和车辆往来频繁的公路附近的牌坊上较为发育，与局地人为扰动有关。

3.徽州地区温暖湿润的气候环境，有利于低等植物繁殖，在徽州牌坊表面形成低等植物病害、黑色结壳和水锈病害。低等植物的污染和腐蚀不仅破坏了徽州牌坊的风貌，更可导致石质构件表层的物理和化学性状发生变化，使其抵抗外界自然风化的能力降低，并最终造成牌坊构件表面变色、结壳、孔隙增多、剥蚀等现象，甚至遮盖、破坏牌坊表面的雕刻和文字等珍贵历史文化信息，使得徽州石质牌坊的寿命以及文物价值大大降低。高等植物病害出现不多，但高等植物的根劈和枝桠挤压危害不容轻忽。

4.徽州牌坊石质构件上的可溶盐分析结构显示，阳离子有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+，阴离子为Cl-、NO3-和SO42-，其来源包括大气沉降、石质构件的风化产物和地下水中所含离子的迁移。在石质牌坊构件表面很难发现明显的盐晶，但柱座石、立柱底端是牌坊上方淋溶携带盐分和地下水中所含盐分的迁移活动的集中区域，也是这一区域构件多发片状剥落的重要原因 。

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