故宫养心殿燕喜堂古建筑琉璃构件的釉面损毁研究

赵 静，迪丽热巴·阿迪力，，钱 荣，赵 鹏，王 丛，杨 璐

(1. 中国科学院上海硅酸盐研究所古陶瓷研究中心，上海 200050； 2. 西北大学文化遗产学院，陕西西安 710069；3. 故宫博物院古建部，北京 100009)

0 引 言

北京故宫是中国明清两代的皇家宫殿，内部以三大殿为中心，有大小宫殿七十多座，房屋九千余间，是世界上现存规模最大、保存最为完整的木质结构古建筑之一。在这座建筑中，除了典型的木质构件的使用，最为奇特和尊显的莫过于建筑琉璃构件的使用，尤其是黄色琉璃瓦顶的铺设，使得这座神秘的建筑更加富丽和尊贵。

北京故宫始建于1406年，建筑屋顶的琉璃构件面临了五六百年的风吹雨淋，最主要的病变是琉璃釉层的大面积脱落。其中作为养心殿后殿西耳房的“燕喜堂”，以其黄色琉璃构件釉面的大面积脱落问题最为突出。据统计燕喜堂建筑顶部的琉璃构件中脱釉面积达80%，其中对于每个琉璃筒瓦来说，釉面脱落面积达90%的数量约占75%，釉面脱落面积达50%的数量约占11%，而釉面脱落面积在30%以下的琉璃筒瓦数量约14%。图1为釉面脱落后的瓦顶和修缮后的琉璃瓦顶对比图，可以看出琉璃构件的釉面脱落非常严重。

目前，针对古建筑琉璃构件釉面脱落的损毁研究，有报道釉层厚度、坯釉结合层、坯釉热膨胀系数匹配、坯体烧结程度[1]等是导致釉层脱落的主要原因。但是对于已成型的琉璃构件，烧结后内部性能已经渐趋稳定，它们是如何在外界环境条件下，以哪种最主要影响因素下发生变化的研究鲜有报道。本工作通过分析典型的故宫养心殿燕喜堂琉璃筒瓦性能，并且通过不同模拟试验条件观察琉璃构件所发生的变化，以期寻找出影响琉璃釉层脱落的外在关键性损毁因素，为后期文物保护和修复方案提供科学依据。

图1 釉面脱落后的瓦顶(a)和修缮后的琉璃瓦顶(b)对比图Fig.1 A glazed-tile roof with glaze detachment (a) versus a glazed-tile roof after glaze renovation (b)

1 文物样品的选取

由于故宫古建筑琉璃构件的珍贵性、稀缺性与所承载信息的重要性，本研究选取养心殿燕喜堂建筑上失去使用功能，同时釉面脱落、不完整且没有详细年代记载的琉璃筒瓦(YTH3、YTH5和YTH8)以及现代琉璃筒瓦(编号XH1)进行分析，具体所研究的釉面部分照片见图2。

图2 故宫燕喜堂古建筑琉璃构件典型样品Fig.2 Typical samples of ancient architectural glazed members from Yan Xi Tang in the Forbidden City

2 测试条件与模拟试验方法

2.1 测试条件

1) 能量色散X荧光光谱仪。采用美国EDAX International Inc的Eagle Ⅲ能量色散型X分析仪(EDXRF)，X光管最大功率为40 W(40 kV，1 000 μA)，样品上X光聚焦点直径为300 μm，样品在入射X射线激发下产生的特征X射线用Si(Li)探测器测量。能量色散X荧光分析仪具有不破坏、高精度、测试元素范围广等有点，适合于文物样品的无损分析。

2) 热扩散系数。采用LFA 467 Hyper Flash-闪射法导热仪测试样品在25℃的热扩散系数。仪器采用InSb红外检测器，真空度10-4mbar，可以检测热扩散系数范围为0.01～2 000 mm2/s。由于琉璃釉层较薄，难以达到测试样品直径15 mm，厚度0.5 mm的尺寸要求，实验通过保留近似相同厚度的釉层和胎体作为一组，而纯胎体作为另外一组。通过对比两组的区别，间接比较釉和胎的热扩散能力的变化。

3) 热膨胀性能。采用德国Netzsch DIL 402C热膨胀仪的动态测量模式测试样品胎体的热膨胀系数，样品尺寸为20 mm×5 mm×5 mm，控制升温速率10 ℃/min。由于釉层较薄，选择配制成分近似的模拟釉层样品进行测试[2]。

4) 超景深显微分析系统。实验使用日本Keyeens的VHX-2000超景深显微镜，具有5 400万像素，与传统光学显微镜相比可以实现20倍以上的大景深观察，可以聚焦凹凸大的样品表面，测试出样品表面的形貌变化。

5) 红外热像仪。美国FLIR的T450sc红外热像仪采用非制冷量热型焦平面探测器，能够获取整个研究视野内面阵的温度分布，红外分辨率为320×240像素，波长范围为7.5～14 μm，测试温度范围分布在-40～650 ℃。

6) 吸水率、显气孔率和体积密度。采用中华人民共和国国家标准“陶瓷砖试验方法第3部分：吸水率、显气孔率、表观相对密度和容重的测定”[2]测试琉璃样品胎体的吸水率、显气孔率和体积密度变化。

2.2 模拟琉璃釉层脱落的试验方法

故宫燕喜堂琉璃构件长期放置于户外环境中经受风吹雨淋，釉层呈片状掉落，为了寻找琉璃釉面脱落的关键性影响因素，试验选择温度恒定、温度循环、湿度循环、温湿度剧变循环、温湿度缓变循环和冻融循环等不同的试验参数。采取除了古琉璃样品，现代模拟样品每组数量不少于20块，尺寸为80 mm×60 mm×15mm，记录不同实验条件下样品所发生的形貌和脱釉等变化。

1) 温度恒定。将样品分别放置于100 ℃烘箱和-10 ℃冷冻箱内，定期观察样品的形貌变化。

2) 温度循环。将样品放置于-10 ℃冷冻箱4 h后，放于110 ℃烘箱4 h，反复循环，记录样品的循环周期以及所发生的变化[3-4]。

3) 湿度循环。样品放置于温度25 ℃，相对湿度98%条件下4 h后，放于相对湿度35%条件下4 h，反复循环，记录样品的循环周期以及所发生的变化。

4) 温湿度剧变循环。为了模拟古建筑琉璃构件在户外夏季高温，突然降雨出现对琉璃釉面的损害，试验选择将样品在100 ℃烘箱内烘干后放于0 ℃的冰水混合溶液中浸泡1 h，反复循环，记录样品的循环周期以及所发生的变化。

5) 温湿度缓变循环。为了对比温湿度剧变循环对样品的影响，试验进一步缩短温度变化的范围，选择将样品在50 ℃烘箱内烘干1 h后，放于室温约25 ℃的纯水溶液中浸泡1 h，反复循环，记录样品的循环周期以及所发生的变化。

6) 冻融循环。样品在常温下浸泡于水中1 h后，放置于-10 ℃冷冻箱内冷冻1 h，取出后置于常温水中1 h，反复循环，记录样品的循环周期以及所发生的变化。

3 结果与讨论

3.1 古琉璃样品的性能检测

3.1.1 釉层分析 对选取的文物样品和现代琉璃样品进行釉层的成分以及显微形貌等分析。在表1釉层的主次量化学组成数据中，釉层颜色较浅的YTH3和YHT5 PbO2的含量高于颜色较深的YTH8和现代琉璃瓦XH1，而Fe2O3含量均低于YTH8和XH1。实验采用超景深显微镜观察琉璃样品的釉层厚度。图3中可以看出：YTH3和YTH5的釉层厚度远远小于YTH8和XH1，YTH3和YTH5的平均厚度分别为97.92 μm和79.85 μm，而YTH8和XH1分别达到了124.38 μm和184.67 μm。从以上分析中可以看出：故宫琉璃样品釉层主要以铅釉为主，其中颜色较深的样品PbO2含量较低，Fe2O3含量较高，釉层厚度较大。

表1 测试表面釉层的主量化学组成Table 1 Major chemical compositions of glazes (%)

图3 样品的釉层厚度以及显微形貌Fig.3 Thickness and microscopic morphology of sample glazes

3.1.2 胎体和胎釉结合层分析 测试琉璃胎体成分、吸水率、显气孔率、体积密度以及胎釉结合层的显微形貌、热扩散系数等，对比分析影响琉璃釉层脱落并与琉璃釉层和胎体性能相关的主要参数和因素。

表2 测试胎体的主次量化学组成Table 2 Major and minor chemical compositions of bodies (%)

表3 样品的吸水率等测试结果Table 3 Water absorption, apparent porosity and bulk density of samples

图4 样品表面釉层的“冰裂纹”Fig.4 “Ice crack” on the surfaces of samples

琉璃样品烧制后，作为户外建筑材料使用过程中，受到外界自然环境尤其是温度变化所引起热稳定性能的变化，其中最能表现热能传输最重要的物性参数之一是热扩散系数。这是因为由电子和被约束在规律排列晶格中的原子组成的非导体琉璃样品，其相应的热能传输在材料中主要通过晶格的振动波作用实现，而表征晶格振动波引起的热扩散系数，表征了材料中某一点温度的扰动传递到另一点的速率，也就是在材料受热升温的非稳态导热过程中，进入材料的热量不断地被吸收而使局部温度升高的变化速率。具体公式见：

α=λ/ρc

(1)

式中：α为热扩散系数(m2/s)；λ为导热系数(W/m·K-)；ρ为材料密度(kg/m3)；c为比热/(J/(kg·K))。

热扩散系数大的材料传播热的速率越快。针对古建筑琉璃构件的釉层和胎体，由于组成、结构、性能各不相同，其热扩散系数也有所区别，对比表4中胎釉结合体和纯胎体两组样品的热扩散系数可以看出：胎釉结合体的热扩散系数均高于纯胎体，主要分布在0.5～0.6 m2/s，而胎体的热扩散系数分布在0.4～0.5 m2/s，胎釉结合体的热扩散系数的增大主要是受釉层结构的影响，也就是说釉层的热传导能力大于胎体。其中不同样品胎釉和胎体的热扩散系数差别不同，YTH3、YTH5和YTH8胎釉和胎体的热扩散系数分别相差了0.058、0.102和0.576，样品YTH8釉层和胎体的热扩散系数相差较大。

同时，在25～300℃温度范围内样品釉层的热膨胀系数高于胎体，具体YTH3釉层的热膨胀系数约为6.37×10-6m/℃，而胎体的热膨胀系数约为3.78×10-6m/℃。对比胎釉的热扩散系数和热膨胀系数可以发现，釉层的热传导能力大，同时受热后热膨胀性能也大，而相同条件下胎体的热传导能力和受热后的热膨胀性能小。

尽管琉璃样品釉层和胎体的这些性能有所不同，但放置在恒温博物馆环境时样品也处于稳定状态；发生大面积釉面脱落的样品是长期处于户外建筑屋顶，面临大气环境尤其是温湿度不断改变条件下，具体所发生的变化过程本研究将进行相应的模拟试验进行验证。

3.2 琉璃脱釉的关键性因素分析

3.2.1 模拟试验条件的选择 模拟实验温度恒定(2.2节中1)、单一温度(2.2节中2)和单一湿度(2.2节中3)的条件中，主要是为了检测琉璃样品在恒定高温、低温、高低温和高低湿等单一因素所造成的变化，试验条件依据相关文献报道和标准进行。

在选择温湿度剧变(2.2节中4)和温湿度缓变试验条件(2.2节中5)时，由于故宫养心殿古建筑琉璃构件是在长年累月的变化中出现了釉层的脱落，在寻找所处的环境温湿度、降雨量等变化数据中，首先发现北京市1978～2013年期间高温温度主要在35～42 ℃[5]，同时在近年来科技水平不断提高的基础上，故宫博物院也对所处古建筑的环境温湿度进行监测，其中发现2014～2017年期间，在每年温度较高的7月或8月时，大气温度最高可达33.52 ℃、34.78 ℃、37.62 ℃和34.00 ℃(图5中高温处)。考虑大气温度并非建筑屋面琉璃构件的温度，试验采用红外热像仪监测实际环境高温条件下古建筑琉璃筒瓦温度与大气温度的变化关系，从图6可以看出：琉璃釉面温度的响应基本与大气温度的变化相一致，尤其是在阳光直射部分，琉璃釉面的温度甚至会高于大气温度22.3 ℃，这也与文献报道“高温时建筑屋面温度高于大气温度20～30 ℃”的变化规律相符合[6]。所以为了模拟古建筑琉璃构件在户外夏季高温时对琉璃釉层的影响，试验选择样品温度65 ℃作为温湿度剧变中的高温条件，而样品温度为35 ℃作为温湿度缓变中的高温条件。通过多次试验发现，将样品放置在烘箱100 ℃和50 ℃时，即可达到设定中样品的65℃和35 ℃的要求。

同时，考虑每年温度较高的7月或8月时降雨量较大，其中2014～2017年间的降雨量分别达171.4、167.1、323.2和334.9mm(图7绿色框内)，占全年总降雨量的42.07%、41.79%、59.14%和57.85%，在此期间古建筑琉璃釉层面临高温降雨的概率非常高，所以为了模拟真实环境条件下高温降雨的状况，采用温湿度剧变试验条件将样品在100 ℃烘箱内烘干后，放于0 ℃的冰水混合溶液中，而温湿度缓变试验条件是将样品在50 ℃烘箱内烘干后，放于室温水中，反复循环，记录样品的循环周期以及所发生的变化。

图5 2014～2017年故宫博物院内最高温度和最低温度的变化曲线Fig.5 Maximum and minimum temperature curves of the Forbidden City in 2014—2017

图6 2018年7月测试大气温度与建筑琉璃釉面温度的变化关系Fig.6 Relationship between atmospheric temperature and glaze temperature of architectural glazed-tiles in July 2018

图7 2014～2017年故宫博物院内降雨量的变化曲线Fig.7 Curve of rainfall of the Forbidden City in 2014—2017

除了温度的选择，为了确定样品的烘干和浸泡于水中的循环时间，测试样品在溶液中浸泡的吸水质量和取出后的干燥失水质量随时间的变化速率。从图8a吸水和图8b失水过程中的质量变化速率曲线可以看出：样品在前1 h分别达到质量的相对平衡，吸水和失水的质量变化率达到几乎稳定状态，其中YTH3-1、YTH5-1、YTH8-1和XH1的吸水质量变化率分别为9.63%、9.60%、9.28%和9.18%，失水质量变化率分别为8.88%、8.99%、7.62%和8.83%，1 h后的变化趋于恒定。根据样品吸水和失水质量变化的这些数据，试验选择温湿度剧变循环是将样品放置于100 ℃烘箱内烘干1 h后，放置于0 ℃的冰水混合溶液浸泡1 h，反复循环；而温湿度缓变循环则是将样品放置于50 ℃烘箱内烘干1 h后，放置于室温水溶液浸泡1 h，反复循环。

高校科研经费来源就目前的情况来看，大部分仍然来源于国家财政与地方财政扶持，因此，高校虽然是科研经费的直接使用者，但对于经费管理的权力并不大，科研经费申请也要面对重重审批与把关。经费管理自主权较小虽然在一定程度上能够帮助上级部门实现对科研经费的集中管理，减少经费使用过程中的越权与滥用现象，但面对国家对高校科研活动及成果需求的不断提升，传统管理模式也必然会打击高校在科研活动开展及成果转化方面的积极性以及主动性。而过于集中化的经费管理，也会让领导层与高校之间出现信息交互不对等，造成信息壁垒及信息不对称现象，从而出现政策理解与政策执行之间的矛盾偏差，给管理工作带来更多麻烦与阻碍。

图8 样品在浸泡吸水过程(a)和干燥过程(b)中的质量变化率Fig.8 Mass changes of samples in the course of immersion in water (a) and drying (b)

关于2.2节中“6)冻融循环”条件的选择，由于文献报道冻融作用影响着建筑琉璃构件的性能[3]，考虑故宫古琉璃建筑构件是否也面临冬季低温条件下的冻融作用，调研发现在2014年1月至2017年12月期间，每年的低温天数分别为37 d、45 d、50 d和49 d，温度低于0 ℃的12月、1月和2月的温度范围主要分布在-0.01～-13.80 ℃，满足冻融条件中“冻“的要求；而在寻找冻融循环中影响“融”的降雨条件时发现，这些低温天数中所含有的降雨量比较少，图7中红框所示，这三个月中每月的降雨量主要范围为0.0～9.8 mm，最高降雨量占总降雨量的1.69%。以上数据表明：故宫古建筑琉璃构件在冬季时主要面临低温“冻”的影响，但在冻融条件下所发生的变化也将进一步进行模拟试验。所选取的试验参数是依据环境参数以及样品在浸泡/干燥过程中的质量变化等数据，选择在常温下浸泡于水中1 h后，放置于-10 ℃冷冻箱内冷冻1 h，取出后置于常温水中1 h，反复循环，记录样品的循环周期以及所发生的变化。

3.2.2 试验结果分析 在温度恒定(2.2节中1)，高低温循环(2.2节中2)或高低湿循环(2.2节中3)条件下，古建筑琉璃样品和现代琉璃样品在经过200 d或100次循环后没有发生任何形貌的改变。

观察温湿度剧变试验条件下样品发生的变化。古琉璃样品YTH8首先在6个循环后就出现沿“冰裂纹”处掉落的釉层，现代琉璃样品XH1在8个循环后出现小面积的釉层脱落。图9a和图9b为沿“冰裂纹”脱落的釉层及其断面，面积约为0.04 mm2，其中釉层厚度约160～220 μm，釉层上所粘附的胎体厚度约为250～500 μm；随着循环次数的不断增加，釉层脱落面积不断增加，图10为现代琉璃样品XH1在11个循环、20个循环和47个循环时釉层表面出现脱落时的照片，红色箭头指示部分为釉层掉落的位置。从这个变化过程可以看出：釉层掉落首先出现在胎釉结合较弱，尤其是在样品气液固界面边缘处，脱釉分布较为广泛，但是随着循环次数的不断增加，在釉面中间位置也会出现小面积釉层的掉落。计算古建筑琉璃样品以及现代琉璃样品随着不同循环次数釉层脱落的质量变化率，从图11中可以看出：YTH3、YTH5、YTH8和XH1的釉层脱落质量变化分别以y=0.010 2x+0.344 3、y=0.004 5x+1.152 7、y=0.003 1x+3.881 2和y=0.004 9x+3.368 9的线性方程进行增加(x表示循环次数，y表示质量变化率，拟合方程的相关系数R2分别为0.973 7、0.809 0、0.889 3和0.950 6)，其中YTH8和XH1的釉层脱落变化率较高，98个循环后质量损失率分别达到4.16%和3.81%，远高于YTH3和YTH5的1.29%和1.56%。

图9 脱落釉层的显微形貌Fig.9 Microscopic morphology of detached glazes

图10 温湿度剧变条件下现代琉璃样品XH1釉层脱落的形貌变化过程Fig.10 Morphological changes of the modern glazed-tile sample XH1 undergoing glaze detachment under the condition of drastic temperature-humidity changes

图11 琉璃样品釉层脱落的质量变化率Fig.11 Mass changes of glazes detached from glazed-tile samples

不同于2.2节中4)温湿度剧变试验条件下样品的变化，在2.2节中5)温湿度缓变试验条件下，样品经过100次循环，表面没有发生形貌的改变。

在冻融循环(2.2节中6)中，图12琉璃样品经过90个循环后釉层裂纹扩展，同时部分釉层沿着胎体断裂处整体开裂(见图12箭头处)。冻融实验所导致琉璃样品的破坏程度较大，不仅琉璃釉层发生开裂，甚至琉璃胎体在冻融过程中由于颗粒之间的连结形式遭到破坏[7]而发生断裂，这种破坏作用危害极大。

由于琉璃样品釉层和胎体的热扩散系数不同，为了进一步对比不同试验条件下样品釉层和胎体的温度变化，采用红外热像仪测试样品釉层和胎体的温度变化速率。图13a可以看出，琉璃样品放置在100 ℃烘箱内1 h后，吸收热量能够到达的最高温度约为65 ℃；将温度为65 ℃的样品放置在冷冻室冰水混合物中，1 h后样品的最低温度可达0 ℃，其中釉层和胎体的温度变化速率非常快，温度下降速率的线性拟合方程分别为y=-15.12x+50.70和y=-12.25x+49.06(x表示时间，y表示温度)，相关系数为0.817 5和0.811 5；而将65 ℃样品通过冷冻室空气进行降温时，1 h后样品的最低温度可达-10 ℃，虽然达到的温度更低，但是釉层和胎体的温度变化速率相对较慢，温度下降速率的线性拟合方程分别为y=-2.67x+53.93和y=-2.72x+54.64，相关系数为0.901 3和0.892 7。两种不同的降温方式中，釉层温度下降速率分别为15.12和2.67，胎体的下降速率为12.25和2.72。对比可以看出，温度为65 ℃的样品放置在冷冻室冰水混合物中，釉层的温度下降速率相对最大，但到达的最低温度比在空气中不含水样品的温度低。

图12 用于冻融试验的典型样品照片Fig.12 Photos of typical samples used in the freeze-thaw experiment

图13 样品在水中和在空气中釉层和胎体的温度变化速率Fig.13 Temperature-change rates of glazes and bodies of samples in water and air

将样品从低温冰水溶液和低温空气中取出放置于100 ℃烘箱后，由于浸泡在冰水溶液中的样品含有一定量的水分，在升温蒸发过程中的温度变化速率低于不含水样品的变化。具体来讲，含水琉璃样品釉层和胎体的温度变化速率拟合方程分别为y=1.06x-86.91和y=1.05x-85.72，相关系数为0.970 5和0.974 0，而不含水琉璃样品的温度变化速率线性拟合方程为y=1.56x-220.78和y=1.68x-242.64，相关系数为0.948 8和0.924 7。对比从高温降到低温，再由低温升高至高温的过程中，琉璃样品从65 ℃高温下降至冷冻室冰水混合物中的釉层温度变化速率相对最大。

试验进一步检测温湿度缓变条件下，样品从50 ℃烘箱内降至室温水中和空气中的温度变化速率。如图13b所示，样品在50 ℃烘箱内放置1 h后的温度可达35 ℃，取出后放置在室温水中，釉层和胎体的温度下降速率方程分别为y=-2.75x+31.37和y=-2.60x+31.06，在空气中釉层和胎体的温度下降速率方程为y=-0.34x+31.93和y=-0.26x+31.69，相关系数分别为0.911 9、0.920 5、0.951 8和0.899 6。将室温水和空气中的琉璃样品又进一步放置在50 ℃烘箱内，观察样品在升温过程中的温度变化速率，含水样品的釉层和胎体的线性拟合方程分别为y=0.15x+22.13和y=0.17x+20.05，不含水样品的变化方程为y=0.15x+17.02和y=0.16x+16.11。从这些釉层和胎体的温度下降速率和温度上升速率曲线数据中可以看出：将温度35 ℃的样品放置在室温水中的温度下降速率较大，能够达到比在空气中时温度较低的状态，而升温过程中含水与不含水样品的温度变化速率相差不大。

综合分析温湿度剧变和温湿度缓变等不同条件下琉璃样品釉层和胎体的温度变化速率，琉璃样品从65 ℃高温下降至冷冻室冰水混合物中的温度下降速率相对最大，其中釉层的温度下降速率高于胎体。结合这种温度变化与模拟试验中所观察的“温湿度剧变循环引起釉面脱落面积损失率最大”的相关性，将在下文进行详细的原因分析。

3.2.3 釉层脱落的主要原因分析 对比在不同模拟试验条件下样品所发生的变化，可以发现：琉璃样品面临温湿度剧变或者冻融循环条件时会出现釉面脱落，其中温湿度剧变条件在于温度发生剧变过程中所导致样品的“淬火”，而冻融循环在于样品含有水时所发生的体积变化，两者对样品的破坏状态和损毁机理不同。

烧制后琉璃样品表面釉层形成张应力，胎釉结合层呈压应力状态，张应力和压应力共同构成一个平衡体。当阳光直射时，釉面吸收阳光的红外光和部分可见光，这些光在釉面转化为热能，使釉面温度升高并形成向四周热膨胀的张应力，同时由于釉的热传导能力强，釉面以及胎釉结合处釉层部分的温度能够快速达到与釉面一致的较高温度。而当文物所处的高温环境突然发生变化，面临温度的急剧降低时，釉面温度随之降低并形成向四周收缩的张应力。由于釉层的温度变化速率高于胎体，在胎釉结合处容易形成釉层和胎体温度分布不均的状态，内部尤其是胎釉结合处将产生相应的应力分布不均衡。这种温湿度剧变条件下，尤其是从高温急剧降到低温时所导致样品的变化就如“淬火”过程，样品釉层和胎体之间的收缩变化产生极大的不匹配，表现在胎釉结合处时，当这种应力的快速变化超过胎釉结合层所能承受的极限时，就会出现附带胎体的釉层脱落。这种导致样品“淬火”的高温急剧降到低温的条件，与故宫古建筑琉璃构件夏季所处的实际环境条件相一致：夏季环境中样品处于高温条件下，表面釉层的热扩散能力大，使得釉层表面沿着“冰裂纹”处产生较大的膨胀应力，当由于暴雨等使得温度骤然降低时，表面釉层也随着快速降温，釉层又出现较大的收缩应力。这对于温度响应较缓慢的胎体而言，在釉层和胎体界面处的收缩不匹配表现得最为明显。区别于2.2节中2)高低温循环条件下样品发生的变化，2.2节中5)温湿度剧变条件中0 ℃水的作用不仅降低了样品的温度，更是加速了釉面的散热速率，使得温度的下降更为迅速。

不同于温湿度剧变条件引起样品釉层与胎体之间的膨胀收缩作用，冻融循环引起样品的变化主要在于釉层裂纹以及胎体孔隙含有水所发生体积膨胀导致的变化。将琉璃样品浸泡在常温水中，放入冷冻室中进行降温的过程时，所含有的水分会在低温条件下发生相变，由液相转化为固相，体积增加约10%，这种位于釉层裂纹之间和胎体孔隙之间水转化为冰的膨胀作用破坏了釉层与釉层、釉层和胎体以及胎体颗粒之间的结合强度，所以对于琉璃样品的破坏不仅表现在釉层的脱落，还有胎体的开裂、断裂等[8]。对比模拟实验条件和实际环境条件下样品所发生的破坏状态，古建筑琉璃样品的破坏主要在于釉层的不断脱落，而胎体几乎没有发生任何的损伤，同时样品在所处的环境条件中，也很难达到满足实验室模拟冻融条件下多达90次循环的要求，所以推测冻融作用并不能成为故宫古建筑琉璃构件发生大面积釉层脱落的主要原因，但冻融作用对琉璃样品的破坏危害性不可小视。

4 结 论

通过对故宫燕喜堂琉璃样品的性能分析以及不同的模拟试验发现：

1) 琉璃样品釉层较厚、“冰裂纹”分布较广以及釉层与胎体的热扩散性能、热膨胀性能差异越大，作为内因会使得釉层脱落的速率加快；

2) 琉璃样品在温湿度剧变或者冻融循环条件时会出现釉面脱落，其中温湿度剧变条件在于从高温急剧降低为低温等循环过程中所导致样品“淬火”，而冻融循环在于样品含有水时所发生体积变化导致的膨胀收缩，两者对样品的破坏状态和损毁机理不同；

3) 结合文物所处的环境条件，确定引起故宫古建筑琉璃构件釉面脱落的主要原因在于温湿度剧变所引起胎釉界面应力变化的不匹配，在胎釉结合处产生的应力变化超过所能承受的极限时，就会出现釉层的脱落。

确定故宫琉璃构件釉面脱落的关键性因素，将对下一步如何进行保护，合理提出保护方案和保护措施提供科学依据。