乾隆御制碑病害的现场检测与评估

何海平，徐树强，王菊琳

(1． 首都博物馆，北京 100045； 2． 北京化工大学材料电化学过程与技术北京市重点实验室，北京 100029；3． 文物保护领域科技评价研究国家文物局重点科研基地(北京化工大学)，北京 100029)

0 引 言

首都博物馆北广场东北角矗立的乾隆御制碑由碑帽、碑身、碑座三部分组成，石碑为立方柱形，岩性为汉白玉大理岩，整个石碑通高约6.7m，重超过40吨[1]，保存状况较好。碑座为束腰须弥座，刻有精美的卷草花纹。这个巨型石碑的文物价值主要在于满、汉文刻着乾隆皇帝御制的《帝都篇》《皇都篇》两首诗篇，比较生动、具体地表达了乾隆皇帝“在德不在险”和“居安思危”的治国思想。乾隆御制碑对研究北京作为都城的历史，特别是研究康乾盛世的治国理念和中华民族多元一体格局确立的因果关系乃至乾隆皇帝的文学成就和书法艺术都具有重要的史料价值，是一件重要文物。该碑原立于北京天桥十字路口西北方的“斗姆宫”内，1915至1919年间被移至先农坛，后因工程需要，碑的各个部件陆续被埋到地下，直至2005年才被重新发现。经过北京古代建筑博物馆和首都博物馆专家的精心修复，于2006年5月18日(国际博物馆日)安置于此[2-3]，迄今已有十余年。十余年来，乾隆御制碑一直被不可移动的钢结构玻璃罩保护，该玻璃罩高7.65m，东西宽2.9m，南北宽2.8m，玻璃罩每面都开有通风孔。现今，玻璃罩东面的玻璃破裂，石碑表面布满灰尘。由于玻璃罩的阻隔，无法对石碑进行病害检测和维护，对石碑的安全和保存极为不利，因此2016年首都博物馆启动了乾隆御制碑保护工程。乾隆御制碑保护工程首先将原有玻璃罩拆除，然后对石碑病害进行研究并根据病害情况提出保护方案，最后经过专家论证后进行保护工作。本工作重点介绍乾隆御制碑的主要病害与保存现状研究。

1 御制碑表层病害调研

御制碑表层主要病害分布与病害调研布点情况见图1，采用肉眼观察并用数码相机记录乾隆御制碑表层病害的照片。经现场调研发现，御制碑未出现严重的脱落与缺损病害。石碑的主要表层病害见图2，石碑表面污染与变色病害严重，主要为粉尘污染。由B-BZ3可见，由于碑座刻有卷草花纹与多种图案，石材表面平整度下降，形成很多利于灰尘沉积的区域，因而碑座的积尘现象更为严重。D-BZ1中间部位为方便进行石材物理力学性能指标测试而将灰尘扫除，周围部位为未经清理的灰尘，通过清理部位与未清理部位对比，不难看出积尘病害严重。碑身积尘严重区域同样分布于刻有花纹及字迹等不平整处，清理时应给予更多注意。灰尘在石质文物表面堆积与富集，不仅会遮蔽其表面的精美纹饰与造型，影响文物的艺术价值与观瞻性，而且影响了石材的透气性，容易引发石材内部出现病害。此外，灰尘中可能含有SO3等酸性固体废弃物，在降雨的作用下形成硫酸，容易造成石材表面出现溶蚀与结壳病变。石碑部分位置出现溶蚀(B-BS1)、结壳(D-BZ3)、结垢(X-BS1)与锈迹变色(X-BZ1)病害，这些病害的面积虽不是很大，但使得被污染部分石材的颜色与石碑本体的颜色差别很大，影响了石碑整体的美观。此外，石碑表面存在若干浅表性风化裂隙(如B-BZ1与B-BS2)。

测点编号B-BZ1中“-”之前的B表示方向北，“-”之后的BZ表示构件名称“碑座”， 其他缩写方式：D-东，N-南，X-西，BS-碑身，以下同。尺寸测量单位为cm。 图1 乾隆御制碑测试布点图Fig.1 Layout of the test points on the Qianlong imperial monument

图2 御制碑表层病害Fig.2 Surface diseases of the imperial monument

2 御制碑保存状况的无损/微损检测

为了确定御制碑风化、裂隙发育程度及御制碑整体的保存状况，本研究对石碑不同病害部位进行超声波速、胶带结合力测试，通过测试得出石碑风化程度、表面裂隙深度等以评估石碑风化与保存状况。

2．1 风化程度检测

为了确定御制碑风化状况，继而为后续制定石碑修缮方案提供依据，并根据御制碑病害分布情况，采用ZBL-520型非金属超声波检测仪以对测的方式对图1中石碑若干部位进行超声波检测。超声波测试使用的发射与接收换能器探头直径为3.8cm，发射电压500V，采样周期0.4μs。采用面粉团作为被测石材与换能器间的耦合剂，面粉团是由面粉与水按照1∶12的质量比混合配制成糊状半流态，测试过程中确保每个换能器所用面粉团质量相同，将面粉团制作成与换能器面积大小相同的薄层圆饼状并黏附于换能器上，然后将换能器按压于被测石材表面。与传统使用的黄油、凡士林等耦合剂相比，采用面粉团作为耦合剂的优点为，在保证检测精度的前提下，测试后面粉团易去除，不会对石材表面产生负面影响[4]。

超声波法测试的基本原理是通过分析超声波在被测物体中的传播特性来判断被测物的物理性质。岩石风化后，其矿物成分和结构发生改变，超声波速降低，人们通常把测得的风化岩体的波速与新鲜岩石波速比较，通过风化岩石与新鲜岩石波速比Vi/V0反映岩石的整体风化程度[5-6]。参考岩土工程勘察规范GB 50021—2001[7]中风化岩石与新鲜岩石波速比Vi/V0与风化程度的对应关系，本工作采用的岩石风化程度分级评价方法见表1。

表1 石材风化程度与波速比对照表

表1中的风化岩石超声波速Vi通过现场测试得到；对于新鲜岩石超声波速，由于条件限制，未能取得新鲜岩石样品，故无法严格测量新鲜岩石超声纵波速度，为了能够进行比较，可以借鉴相关公式计算出新鲜岩石的纵波波速，纵波波速计算公式如下[5]：

式中，E为杨氏弹性模量；γ为泊松比；ρ为岩石密度。

乾隆御制碑的材质为大理岩，经查阅相关资料得知大理岩的杨氏弹性模量E在9.62～74.827GPa范围内，泊松比γ在0.06～0.35范围内，密度ρ在2600～2800kg/m3范围内。此研究是为了评估大理岩的风化程度，对于新鲜大理岩，E可取74.827GPa，γ可取0.35，ρ取2600kg/m3，由此可计算出新鲜大理岩的理论最大纵波波速值V0=6.79km/s，这与马涛等[8]设定大理岩的超声波速数值相近，可以采用此数值作为石碑未风化前的超声波速，此处只具有相对比较意义。

此外，为了辅助说明石碑风化状况，参考规范[9]采用微损的胶带结合力测试条测试石碑表面测点的酥粉质量(测试条前后质量差)以评估石碑的表面风化情况。胶带结合力试验是一种常用的附着力测试方法，其具体操作方法是将胶带黏贴于试样的试验部位上，手指按压胶带1min，沿垂直于试样方向用力迅速撕去胶带，检查被试区域是否有脱落现象，并确定测试前后胶带结合力测试条质量变化。在本次现场测试中，采用的胶带结合力测试条尺寸为长3cm，宽2cm。以胶带测试条质量的增加作为石碑表层风化物脱落的定量指标，胶带测试条质量增加越大则石碑表面颗粒附着力越小，石碑表面风化越严重。为了提高检测精度，并排除石碑表面灰尘等沉积物的影响，在附着力测试前采用软毛刷与洗耳球对这些沉积物进行适当清理，以露出石碑表面为宜。

现场检测得到的石碑超声波速(Vi)、超声波速比(Vi/V0)及相对应石碑各测点的风化程度见表2，石碑各测点不同风化程度所占百分比见图3。由以上数据可知，轻度风化占很大比例，其次是孔隙度增加，严重风化只占很小的比例，表明乾隆御制碑整体风化程度轻微，不存在完全风化状态。此外，对于碑座及碑身的超声波速测值，南北方向的测值均普遍大于东西方向的测值，这可能是由于石碑内部存在南北方向的纹理，超声波垂直纹理通过时会减慢声波的传播从而减小超声波速值[4]，也可能是由于石碑东西方向上受外界因素影响大于南北方向而导致风化程度较高。

表2 石碑若干部位超声波速及风化程度

图3 御制碑不同风化程度所占百分比Fig.3 Proportions of different weathering degrees of the imperial monument

胶带结合力测试结果见表3。石碑各测点处由胶带结合力测试条黏下的表面酥粉质量范围为0.6～4.7mg，但由于没有相关标准可供参考，无法从酥粉质量定量评估石碑表面风化程度，只能依据酥粉质量的大小比较不同测试部位的风化程度高低。但将石碑各测点的超声波速比与酥粉质量相关联(图4)后发现，二者之间存在明显的负相关关系，二者体现出来的石碑风化程度相互吻合。虽然超声波对测法测试的是石碑整体(包括内部与表层)风化情况，但对于汉白玉大理石岩性的乾隆御制碑而言，其岩石结构较为致密，风化往往由表层向岩石内部逐渐发展，且风化层较浅。石碑超声波速的衰减与石碑表层风化应有较大关系。而胶带结合力测试方法得到的表面酥粉质量变化规律更是印证了这一点。在本研究中，处于轻微风化状态的石碑测点，酥粉质量较小，而评估为严重风化的X-BS2测点酥粉质量最大。总体来看，石碑风化程度轻微。

表3 胶带结合力测试结果

图4 石碑测点酥粉质量与超声波速比关联图Fig.4 Relationship between crisp powder quality and ultrasonic velocity ratio of detection points on the imperial monument

2.2 表面裂隙深度检测

为了了解御制碑表面裂隙发育情况，并从安全性角度评估表面裂隙对石碑的影响，选取石碑表面较发育裂隙测试其深度，以期为后续修缮工作提供依据。鉴于岩石类材料与混凝土材料在某些物理力学性能上的相似性，参考混凝土表面裂缝深度的检测方法[10-11]，采用超声波单面平测法测试石碑表面裂隙深度，所采用的测试仪器与测试参数同2.1节，具体的测试步骤如下。

1) 不跨缝测试。将发射换能器(T)和接收换能器(R)置于裂缝附近同一侧，将换能器T耦合在T位置不动，然后将换能器R依次耦合在各测点R1，R2，…，Rn(n≥3)位置上，且T，R1，R2，R3，…，Rn在同一条直线上，并保证R1，R2，…，Rn相邻测点之间的间距相等，本测试中相邻测点间距为50mm。分别读取各测点的声时ti(μs)， 绘制“时—距”图。由图可得到l与t的相关性曲线：l=a+b*ti。其中，l表示测距；t表示测距对应的声时；a，b为回归系数。

图5 石碑表面裂缝深度测试布点图Fig.5 Layout of the test points for crack depth on the monument surface

2) 跨缝测试。分别将T和R换能器置于以裂缝为对称的两侧，并测出两个换能器的间距l1，l2，…，ln，分别读取测点的声时t’1，t’2，…，t’n。

裂缝深度h按式(2)计算，最后对多次测得的h进行分析，舍去误差较大的数据，对保留的数据取平均值。

由裂隙深度不跨缝检测数据拟合得到的“时—距”图见图6，跨缝检测数据见表4。

图6 不跨缝测试拟合“时—距”图Fig.6 Fitting diagram of “time-distance” without crossing the crack表4 跨缝测试及裂缝深度数据Table 4 Test data crossing the crack and crack depth

裂缝编号t/μsl/mmh/mmLF1-152.810074.19LF1-250.410069.23

根据式(2)计算得到的石碑表面裂隙深度见表4，测试所得裂隙的平均深度约71.71mm，相对于石碑整体的尺寸1437.00mm，裂隙深度占石碑总体尺寸的4.99%，从目前看这些裂隙对石碑造成的破坏较小。但为防止其进一步向纵深开裂，可采取一定的修补加固措施，也可先行监测，暂缓修复，根据监测结果再拟定修补措施。

2.3 石碑表面颜色变化与显微形貌

为了确定石碑表面病害、污染对石碑颜色的影响及了解石碑表面微观形貌，采用JZ-300型便携式色差计测试石碑各测点的色度数据L*、a*、b*值并记录，应用CIE1976色差公式及其表色系统CIELab测量物体颜色的色空间，两种颜色的色差△E*是它们在CIE1976(L*，a*，b*)色空间中两位置的几何距离，由式(3)计算：

(3)

注： 表中“无典型病害”是指该部位未出现结壳、结垢、溶蚀、脏污、锈迹等表面污染病害。

石碑表面典型病害处的显微形态见图7。石碑表面不同病害部位均存在一定的浅层风化层， 风化层内出现不同程度的风化颗粒形态， 有的风化颗粒尚未脱落(B-BS2)， 有的风化颗粒则大部分脱落(B-BS1)， 风化程度不一。但风化层之下的石材结构仍较为致密， 表明石碑表面风化程度轻微。此外， 通过显微形貌观察可以清晰地看出石碑结壳(D-BZ3)、 结垢(X-BS1)、 锈迹(X-BS2)与脏污(X-BS3)部位发生的变色现象， 有效地印证了采用测试石碑色度数据而得出的石碑表面病害、 污染改变石碑颜色的结论。

图7 石碑不同病害处的显微形貌Fig.7 Micro morphology of different diseases on the weathered stone

3 结 论

采用数码相机、非金属超声波检测仪、胶带结合力测试条、便携式色差计、便携式视频显微镜等对首都博物馆乾隆御制碑部分病害及保存状况进行了现场、无损/微损检测与评估。用超声波平测法可测量石碑表面裂隙发育深度，并对发育较深、宽度较窄的难以用常规丈量工具测试的裂隙深度有较为准确的测量结果。用超声波对测法可评估石碑的整体风化程度，用胶带结合力测试法可对石碑表面风化程度进行评估，二者结合使用能更准确地评估出石碑不同部位的风化程度，并得到相互印证的效果。用便携式色差计可方便、快捷、准确地采集石碑色度数据，定量地评估石碑的颜色变化。通过观察便携式视频显微镜对石碑表面的放大图，可直观、清晰地看出石碑表面石材的显微结构、风化形态等。

经多种现场、无损/微损检测方法评估后得出，乾隆御制碑整体保存较完整，未出现严重的脱落与缺损现象。石碑表面污染与变色病害严重，主要为粉尘污染，且碑座的粉尘污染现象较碑身严重，粉尘主要分布于刻有花纹及字迹等不平整处，清理时应给予更多注意。部分位置存在轻微结垢、结壳、溶蚀与锈迹污染病害，使得被污染处石材的颜色与石碑本体的颜色差别很大，影响了石碑整体的美观，应予以清除。石碑整体风化程度轻微，表面裂隙发育轻微，但为防止裂隙与风化进一步加深，可采取一定的修补、加固、封护措施并进行长期监测。