西安明城墻遺址主要病害勘察及成因分析

《咸陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)》 2011年06期 黃四平，王肅

摘 要：對(duì)西安明城墻進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和資料調(diào)研后發(fā)現(xiàn),明城墻主要存在鹽分結(jié)晶引起的墻體泛白、墻體裂縫、表面風(fēng)化、墻體掏蝕和彩繪層的起翹、脫落與模糊五種病害，并對(duì)其成因進(jìn)行了分析，為古城墻保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

西安明城墻是明代初年在唐長(zhǎng)安城的皇城基礎(chǔ)上建造起來(lái)的，至今已有600多年歷史。西安明城墻是我國(guó)現(xiàn)存的惟一完整的古代大型城垣建筑，也是世界上現(xiàn)存規(guī)模最大、保存最完整的古代軍事城堡設(shè)施，具有很高的歷史、文化和使用價(jià)值[1-2]。

明城墻內(nèi)部是用土夯筑而成，外部用磚包砌而成，它的一些建筑部分，如城樓、箭樓、角樓等是用木材建造，在這些結(jié)構(gòu)上還保存有完好的、有較高研究?jī)r(jià)值的珍貴彩繪。明城墻的組成復(fù)雜性，使其保存、保護(hù)、修復(fù)變得困難。本文通過(guò)實(shí)地調(diào)查和資料調(diào)研，發(fā)現(xiàn)明城墻遺址的病害主要有5種，分別是鹽分泛白、裂隙、表面的風(fēng)化、墻體基礎(chǔ)掏蝕與塌陷、彩繪的模糊淡化等，初步分析了產(chǎn)生這些病害的成因，以期對(duì)城墻后期保護(hù)策略的制定打下基礎(chǔ)。

1西安城墻病害勘察方法

收集和實(shí)地調(diào)查影響西安明城墻耐久性保護(hù)內(nèi)在因素和外在環(huán)境因素的有關(guān)文獻(xiàn)資料；按照工程地質(zhì)測(cè)繪的方法對(duì)西安明城墻各種病害進(jìn)行勘察測(cè)繪。

2主要病害類(lèi)型及成因分析

2.1鹽分結(jié)晶引起的泛白

鹽分結(jié)晶引起的泛白在西安明城墻到處可見(jiàn)，這種病害主要發(fā)生在城墻側(cè)面的中上部，城墻的頂部平面以及排水溝附近（圖1，2）。城墻側(cè)面中上部的鹽分結(jié)晶主要發(fā)生在城墻外側(cè)面的距地面7～12 m的范圍內(nèi)，內(nèi)側(cè)主要發(fā)生在新補(bǔ)的磚面上。同時(shí)，城墻的南側(cè)發(fā)生的較北側(cè)嚴(yán)重，西側(cè)較東側(cè)嚴(yán)重。

鹽害是造成各類(lèi)遺址破壞的主要因素之一。引起鹽分結(jié)晶的因素較為復(fù)雜，通過(guò)調(diào)查，主要有兩個(gè)方面的原因：一是內(nèi)因，即在制磚的材料內(nèi)含有較多的鹽分以及磚內(nèi)包貼的夯筑墻體土壤含有較多的鹽分，城墻磚的水分和墻體內(nèi)部的水分通過(guò)墻體表面蒸發(fā)，鹽分就會(huì)結(jié)晶形成沉淀被殘留下來(lái)。在城墻的頂部的磚塊，大多數(shù)是1983年修繕時(shí)更換的磚塊，這些磚塊與墻體側(cè)面的古磚相比，泛白嚴(yán)重；而近幾年更換的磚塊，較1983年更換的磚塊，鹽分結(jié)晶泛白現(xiàn)象更為嚴(yán)重，如在城墻南門(mén)至文昌門(mén)內(nèi)側(cè)，2007年由于陰雨導(dǎo)致城墻內(nèi)側(cè)600多m坍塌，在重新修復(fù)、更換新磚以后，這些新磚結(jié)晶泛白嚴(yán)重。這可能與造磚的選材與制磚工藝有關(guān)。二是外因，即與城墻所處的自然環(huán)境有關(guān)，特別是與降雨、溫度關(guān)系密切。1951—2007年，57年來(lái)西安平均降水量為580.6 mm,年極端最低降水為319.4 mm（1995年），年極端最高降雨量為978.4 mm，兩者相差659 mm[3]。西安年降雨量主要集中在7、8、9月，這些降雨有時(shí)形成特大暴雨。降雨一方面滲入磚體并沿著城墻頂部磚隙下滲到墻體，由于毛細(xì)孔的毛細(xì)作用的存在，毛細(xì)水將可溶鹽帶出墻體表面；另一方面降雨為城墻磚體帶來(lái)了大量鹽分，經(jīng)研究西安地區(qū)降雨化學(xué)組成中，陽(yáng)離子以Ca2+為主，平均濃度為269.35μmol/L，Na+次之，平均濃度為40.25μmol/L；陰離子以SO 2-為主，平均濃度為370.48μmol/L，NO—次之，平均濃度為82.01μmol/L[4]。隨著溫度的上升水分慢慢蒸發(fā)掉，鹽溶液就會(huì)結(jié)晶膨脹，在墻體表面沉積下來(lái)，使城墻表面泛白。這樣反復(fù)的作用下還會(huì)使墻體內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂縫，破壞遺址的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2裂縫及裂隙

城墻面上長(zhǎng)短不一的裂縫到處可見(jiàn)，如圖3，大大小小的裂縫足有200余條，其中長(zhǎng)接近8 m、寬4 cm以上的就有30多條，城墻東北角的情況最為嚴(yán)重，有的裂縫甚至從城墻垛口一直延伸到底部，緊鄰城墻東北角的一面垛墻上裂縫就有8條多。小南門(mén)到西南城角，裂縫也較為嚴(yán)重，有的裂縫達(dá)到了30 cm(圖4)。2006年西安城墻景區(qū)管理委員會(huì)和西安文保中心共同對(duì)城墻的較大裂縫建立了觀測(cè)點(diǎn)，以觀測(cè)這些裂縫的發(fā)展?fàn)顩r。城墻地基下沉，城頂海墁城磚開(kāi)裂，墻體出現(xiàn)沉降、裂縫，導(dǎo)致雨水下滲直接破壞墻體。造成裂縫的主要原因有：一是夯土層之間差異，從含光門(mén)城墻的五期斷面來(lái)看，從底到頂，從里到外依次是隋唐夯土層、唐末五代的夯土層、宋元夯土層、明清夯土層、近現(xiàn)代夯土層等五大城墻文化層斷面，后時(shí)代夯土層在前一時(shí)代夯土層的基礎(chǔ)上加疊建造而成。城墻大部分夯土層主體為明代所建，不同時(shí)代的城墻土體之間的成分不同，土體的化學(xué)組成與熱力學(xué)常數(shù)、粘結(jié)度等物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)存在差異，在外界環(huán)境變化時(shí)，不能協(xié)同變化導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。二是雨水下滲，原來(lái)完整的排水系統(tǒng)現(xiàn)在損壞嚴(yán)重，有的排水口被封，有的排水不暢，海墁上存在的不均勻沉降也導(dǎo)致排水坡度起伏，極易造成積水，雨水下滲使墻體出現(xiàn)裂縫，又導(dǎo)致海墁裂縫進(jìn)一步增大。城墻西南角臺(tái)、東南角臺(tái)滲水較嚴(yán)重。三是墻體負(fù)載過(guò)大，城墻近幾年來(lái)是旅游熱點(diǎn)，人流量大，電瓶車(chē)、自行車(chē)多，而且城墻內(nèi)外修建了許多高樓大廈，導(dǎo)致墻體負(fù)載過(guò)大。四是孔洞威脅，城墻經(jīng)歷了抗日戰(zhàn)爭(zhēng)、解放戰(zhàn)爭(zhēng)和文革等時(shí)期，留下許多暗堡、防空洞，這些孔洞給墻體帶來(lái)很大威脅。1983年北門(mén)箭樓垮塌和2004年西門(mén)南側(cè)第一馬面夯土塌陷就是防空洞惹的禍。目前西門(mén)箭樓北側(cè)地基下沉，也是因防空洞所致[5]。五是地下水的過(guò)度開(kāi)采，導(dǎo)致地基下沉。六是震動(dòng)，城門(mén)以及城墻內(nèi)外兩側(cè)緊鄰公路，車(chē)流量大，同時(shí)城墻上經(jīng)常舉行大型活動(dòng)，這些震動(dòng)是造成城墻裂縫的發(fā)育及裂縫發(fā)展不可忽視的因素。

2.3表面的風(fēng)化

城墻表面風(fēng)化嚴(yán)重發(fā)生在城墻的南側(cè)和西側(cè)，海墁的出水口下方以及上下城墻坡的側(cè)面。主要原因：一是城墻鹽分的不斷溶解收縮-結(jié)晶膨脹-再溶解收縮-再結(jié)晶膨脹，在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中破壞了墻體原有的晶體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重降低了墻體力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)就遭到破壞，晶體結(jié)構(gòu)變得松散、粘聚力下降、強(qiáng)度降低，在遺址表面就會(huì)形成凹凸不平的結(jié)構(gòu)面，凹凸不平的表面土體由于相互之間的連接作用減弱，在外營(yíng)力的作用下表面薄弱部分漸漸出現(xiàn)粉化、脫落等現(xiàn)象（圖5，6）。二是水分作用，特別是酸降雨沖刷，西安地區(qū)1-3月和10-11月降雨pH低，酸雨出現(xiàn)頻率高，其中3、5、11月降雨pH最低，為4.2～4.4[6]，隨西安工業(yè)化發(fā)展，pH呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，酸雨出現(xiàn)頻率增加。酸雨造成磚體之間的粘結(jié)物流失，同時(shí)促使鹽分的溶解收縮和結(jié)晶膨脹，加劇了鹽害的發(fā)生。三是溫度，溫差變化是城墻表面風(fēng)化的一個(gè)重要因素。從1951—2007年，57年來(lái)西安市氣溫在波動(dòng)中呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，57年平均溫度為13.86℃，年極端最低氣溫－20.6℃(西安1995年1月11日)，年極端最高氣溫43.4℃(長(zhǎng)安1966年6月19日),兩者相差64℃；研究還表明，從1970年以后，我國(guó)大部分氣溫升高明顯，降雨減少，極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率增加[7]。溫差引起水分在磚體內(nèi)部分布不均以及凍融過(guò)程，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成表面風(fēng)化，四是其他因素，如風(fēng)吹、日曬、動(dòng)物的攀爬、營(yíng)穴等造成表面的風(fēng)化。墻體受力結(jié)構(gòu)受到了破壞，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，墻體為了達(dá)到一個(gè)新的受力平衡點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)裂縫以卸去內(nèi)應(yīng)力，墻體受到以上反復(fù)的作用，裂縫就會(huì)變多變寬，直至墻體坍塌。

2.4墻體掏蝕

在城墻的墻體上普遍存在墻體掏蝕病害，掏蝕病害主要有磚體的粉化掏蝕（圖7）和磚體的脫落掏蝕（圖8）。磚體的粉化掏蝕主要與磚體的可溶鹽有關(guān)，當(dāng)磚體含有較多的易溶鹽，在地下水、毛細(xì)水、雨水沖刷等的作用下，可溶鹽遇水周期性的溶解收縮一結(jié)晶膨脹-再溶解收縮，破壞了磚體原有的晶體結(jié)構(gòu)，其嚴(yán)重降低了墻體力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)就遭到破壞:晶體結(jié)構(gòu)變得松散、粘聚力下降、強(qiáng)度降低，在雨水的沖刷作用、風(fēng)力影響下磚體表面物質(zhì)不斷被剝蝕、脫落，磚體就不斷被掏蝕凹進(jìn)；掏蝕病害的發(fā)生主要是因?yàn)榻涤?，在降雨的時(shí)候，磚體與磚體之間的膠結(jié)材料，主要是白灰層和顆粒較大的砂粒，白灰層經(jīng)過(guò)空氣中二氧化碳作用形成碳酸鈣，起到膠結(jié)作用。隨著酸雨或雨水的長(zhǎng)期沖淋，以及空氣中二氧化碳、二氧化硫等氣體增多，這些酸性氣體與水分結(jié)合成碳酸和亞硫酸等，與碳酸鈣作用形成可溶性的碳酸氫鈣，隨雨水流失。這些膠結(jié)物質(zhì)流失后造成墻體掏蝕，甚至磚體不穩(wěn)，脫落等病害。

2.5彩繪層的起翹、脫落及彩繪模糊淡化

在城墻的城樓、箭樓、角樓等部位珍藏有大量的珍貴明清彩繪，如西安城墻的安遠(yuǎn)門(mén)上保存600余年的千余平方米的精美彩繪，這些彩繪為研究明清彩繪的工藝和建筑藝術(shù)史提供了要資料。但是這些彩繪在經(jīng)歷數(shù)百年的歷史時(shí)期中，遭受風(fēng)化、氧化、有害氣體的侵蝕和各種塵源污染，出現(xiàn)了色彩、圖案的模糊淡化（圖9）及彩繪層的整體起翹、脫落（圖10）等病害，使其失去了原貌，甚至有的消失殆盡，無(wú)法辨認(rèn)。產(chǎn)生這些病害的原因主要有：一是內(nèi)因，包括彩繪層的載體木材、彩繪的成分和膠黏劑，隨著時(shí)間的推移，這些材料發(fā)生老化變質(zhì)；二是外因，包括最常見(jiàn)也最基本的因素就是溫濕度，光照、空氣中的有害氣體等。溫度的急劇變化引起彩繪層的膨脹或者凍融現(xiàn)象，加速加劇有害反應(yīng)的發(fā)生，從而造成對(duì)彩繪的破壞。水分是各種反應(yīng)的媒介，相對(duì)濕度的交替變化會(huì)引起彩繪中可溶性鹽類(lèi)發(fā)生溶解-結(jié)晶現(xiàn)象，使地仗中和畫(huà)面內(nèi)積聚大量可溶性鹽類(lèi)，造成彩繪酥解風(fēng)化。對(duì)于直接暴露在室外的彩繪文物，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的光照后，彩繪中的膠結(jié)材料老化，造成彩繪粉化脫落，部分有機(jī)顏料褪色，部分無(wú)機(jī)顏料變色等,室內(nèi)的彩繪，由于安遠(yuǎn)門(mén)的城樓內(nèi)的商業(yè)活動(dòng)，長(zhǎng)期強(qiáng)烈的燈光照射，也會(huì)引起顏料光老化，使彩繪的色彩或圖案模糊淡化。彩繪文物所處的環(huán)境中的空氣組成亦很重要，有些成分，如CO2、SO2、H2S、NO2等會(huì)形成酸，直接破壞彩繪，它們或與顏料發(fā)生氧化還原作用，或與固相反應(yīng)發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化而破壞顏料，導(dǎo)致變色。

3結(jié)語(yǔ)

西安城墻經(jīng)歷600多年的風(fēng)雨，出現(xiàn)了鹽分引起的墻體表面泛白，表面掏蝕、表面風(fēng)化、開(kāi)裂及裂縫、珍貴彩繪層的粉化脫落及彩繪的模糊淡化等病害，這些病害相互交織在一起，共同構(gòu)成了明城墻的病害特征。

產(chǎn)生這些病害的原因主要有：構(gòu)成墻體材料成分的復(fù)雜性使其理化性能差異，導(dǎo)致病害的發(fā)生；墻體的建造工藝和不同時(shí)期已用的修復(fù)材料、工藝不同，使其結(jié)構(gòu)上不能較好融合，出現(xiàn)病害；外界溫度、濕度、降水、光、大氣污染形成的酸雨，城墻旅游等外部因素也是導(dǎo)致病害發(fā)生的重要因素。