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東南沿海木構(gòu)文物建筑微氣候致病機(jī)理研究

2023-09-17 09:23:40申宇劉松茯程鵬
世界建筑 2023年9期
關(guān)鍵詞:木構(gòu)面層濕度

申宇,劉松茯,程鵬

0 引言

我國東南沿海地區(qū)屬于典型的季風(fēng)性氣候,環(huán)境濕度大、陽光照射充足、常伴有頻繁大風(fēng),文物建筑在自然環(huán)境的長期作用下逐步產(chǎn)生病害,使構(gòu)筑材料老化,結(jié)構(gòu)功能喪失。文物建筑四周風(fēng)速、光照、濕度、溫度等微氣候環(huán)境指標(biāo)發(fā)生變化,形成具有差異性和綜合性的病害滋生環(huán)境。

在東南沿海木構(gòu)文物建筑的病害研究方面,有針對蘇州地區(qū)傳統(tǒng)民居的病害表現(xiàn)、病理機(jī)制、病害類型、發(fā)展歷程以及形成原因展開系統(tǒng)的分析[1];也有對嶺南傳統(tǒng)建筑的防潮、防腐問題進(jìn)行研究后指出,木構(gòu)建筑在嶺南地區(qū)潮濕溫暖的氣候條件下極易感染菌類、吸引白蟻,從而導(dǎo)致木構(gòu)件腐壞[2];還有對福建名人故居保存狀態(tài)及殘損部位進(jìn)行調(diào)查與記錄后提出改善措施[3];或?qū)φ憬貐^(qū)古民居的木梁架常見破壞進(jìn)行分析后提出修繕方案[4]。既有研究更重視木構(gòu)文物建筑的病害種類、病害形態(tài)和破壞機(jī)制[5],關(guān)注木材在一定條件下的腐朽、腐化現(xiàn)象[6],以及紫外線和蟲蛀在老化過程中起到的分解作用[7],在修復(fù)案例中分析其生物侵蝕因素[8]。然而,在我國東南沿海風(fēng)、光、濕、熱的環(huán)境氣候條件影響下,對木構(gòu)文物建筑病害變化規(guī)律及其引發(fā)的致病機(jī)理問題研究相對較少。

為此,課題組深入東南沿海廣州、佛山、廈門、福州、紹興、杭州、南潯、溫州、上海、南京的10 個城鎮(zhèn),實(shí)地調(diào)研314 棟木構(gòu)文物建筑。統(tǒng)計建筑殘損狀況,收集病害信息,檢測樣本微氣候數(shù)據(jù),針對環(huán)境因子及其耦合作用,分析風(fēng)、光、濕、熱等物理參數(shù)對文物建筑的影響,系統(tǒng)歸納該地區(qū)木構(gòu)文物建筑致病環(huán)境的特征規(guī)律。本文圍繞微氣候環(huán)境參數(shù)與木構(gòu)文物建筑病害之間的對應(yīng)關(guān)系,對病害形態(tài)的分布差異進(jìn)行研究,分析環(huán)境致病因素及其致病機(jī)理。通過解釋致病環(huán)境與病害發(fā)展的內(nèi)在關(guān)系尋找二者的關(guān)聯(lián)依據(jù),推動文物建筑策略從修繕性保護(hù)轉(zhuǎn)向預(yù)防性保護(hù),為文物保護(hù)事業(yè)提供科學(xué)的基礎(chǔ)支持。

1 氣候環(huán)境考察

我國東南沿海地區(qū)主要包括浙江、福建、廣東、上海及其周邊區(qū)域[9],特別是距離海岸線200km 范圍內(nèi),海陸風(fēng)交替、大氣環(huán)流影響,臺風(fēng)、暴雨、鹽霧天氣會對文物建筑造成長期、持續(xù)且逐步加深的惡劣影響,形成病害破壞。為厘清環(huán)境與病害之間的關(guān)聯(lián)性,考察了該地區(qū)自然氣候特征、樣本城市氣候條件以及文物建筑微氣候差異。

1.1 自然氣候特征

東南沿海因東亞季風(fēng)和熱帶地區(qū)的大氣變化兼具熱帶和副熱帶氣候特征。王米雪等人在《1960-2013年中國東南沿海地區(qū)旱澇時空變化特征及其趨勢分析》中對濕度變化及趨勢的研究表明,該地區(qū)全年空氣濕度普遍集中在70%~90%之間,特別是沿海20km 左右范圍內(nèi)濕度高達(dá)80%~90%,一些地區(qū)甚至超過90%,是我國降水最為集中的區(qū)域[10]。東南沿海地區(qū)海風(fēng)盛行,局部大氣環(huán)流以偏北風(fēng)為主,風(fēng)速隨海岸線和海拔高度逐漸減小,年平均風(fēng)速4m/s 以上,其中福建沿海平均風(fēng)速最大,浙江、上海、廣東次之。張麗佳等人在《中國東南沿海地區(qū)臺風(fēng)危險性評價》中通過對1990-2007 年臺風(fēng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),浙江南部沿海、福建、廣東大部分地區(qū)受到臺風(fēng)影響較多,臺風(fēng)的威脅程度從沿海向內(nèi)陸次第減弱[11]。此外,該地區(qū)全年日照時數(shù)基本處于1000~2500h 內(nèi),根據(jù)申彥波等人在《近50 年中國東南地區(qū)地面光輻射變化對氣溫變化的影響》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[12],近半個世紀(jì)以來年平均日總輻射量:福州為12.18MJ/m2、廣州為11.66MJ/m2、杭州為11.87MJ/m2,較其他南方城市偏高,但強(qiáng)度相對均勻。

總體而言,東南沿海地區(qū)的自然氣候受宏觀環(huán)境影響,整體呈現(xiàn)全年降水量大、空氣濕度高、強(qiáng)風(fēng)頻次多、光輻射集中的鮮明特征。對木構(gòu)文物建筑來說,木材極易遭受病害侵蝕的狀況與宏觀氣候條件密切相關(guān),自然災(zāi)害等不可控風(fēng)險危害大,對降低文物建筑老化速度、提高建筑壽命、增強(qiáng)文物續(xù)存能力是極大的挑戰(zhàn)。

1.2 區(qū)域氣候條件

統(tǒng)計中國氣象局公布的杭州、溫州、福州、廈門、廣州和汕頭累年各月相關(guān)氣候的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(圖1),文物建筑所在區(qū)域的累年各月平均氣溫、累年各月平均相對濕度和累年各月日照時數(shù)波動曲線呈現(xiàn)出較為明顯的相似性,數(shù)據(jù)指標(biāo)都在夏季集中達(dá)到最高峰,其余季節(jié)也同步下降。進(jìn)入夏季5、6 月份以后,城市濕度整體上升容易引發(fā)木構(gòu)件的膨脹、變形、開裂等病害問題,除影響木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,也容易引起微生物滋生繁殖造成木材腐朽。光輻射在建筑表面引起的溫差變化會使木材熱脹冷縮,輻射中的紫外線會加速木材分解老化,同時也使油漆、彩畫等保護(hù)層發(fā)生物理和化學(xué)變化造成褪色現(xiàn)象,影響木構(gòu)文物建筑美觀。而累年各月的平均風(fēng)速在不同城市出現(xiàn)明顯的差異性,偏向于東南沿海方向距離海岸越近的城市風(fēng)速普遍較高,反向深入內(nèi)陸的城市風(fēng)速較低。對木構(gòu)文物建筑而言,風(fēng)速越大造成風(fēng)蝕剝離、風(fēng)力掏蝕、風(fēng)鹽侵蝕等破壞越嚴(yán)重。

1 文物建筑累年各月氣候數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源:中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)

因此,木構(gòu)文物建筑的氣候條件在不同區(qū)域下長期大幅變化,對病害的侵蝕起到加速催化作用。由于木結(jié)構(gòu)的特殊性,木質(zhì)材料本身對環(huán)境變化異常敏感,木纖維素、半纖維素和木質(zhì)素以及多糖、酚類、蛋白質(zhì)等有機(jī)成分極易在低氧的環(huán)境下水解。在長期的干濕變化中,桐油、油漆、彩畫等飾面保護(hù)層會逐步失效,病害深入地仗層,侵入被保護(hù)的內(nèi)部木結(jié)構(gòu),威脅文物建筑安全。

1.3 微氣候的作用

在對組群建筑、單體建筑的對比研究中發(fā)現(xiàn),東南沿海木構(gòu)文物建筑在濕度、溫度、風(fēng)速和光輻射的耦合作用下自然老化,其空間形態(tài)和立面朝向在建筑四周所形成的微氣候起著決定性作用,并且微氣候風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境和濕環(huán)境在建筑不同朝向有著明顯的差異。

在溫度和濕度穩(wěn)定的前提下,南北朝向的風(fēng)環(huán)境差異會在木構(gòu)文物建筑的背陰面產(chǎn)生風(fēng)速渦流,對建筑立面造成不同程度的風(fēng)力剝蝕。而在光線照射不到的勒腳、檐下、梁枋及背立面位置一般潮濕多水,被潮濕浸潤的部位會出現(xiàn)水線、水漬、酥堿、死黑苔蘚等病害現(xiàn)象。在木構(gòu)文物建筑的院落內(nèi)部空間,環(huán)境趨于穩(wěn)定、通風(fēng)良好、光照均勻的部位病害程度較輕,同樣在陰暗潮濕的部位病害嚴(yán)重。此外,木構(gòu)文物建筑在營造環(huán)境時往往會布置水景、假山、植物、圍墻,它們的干涉和遮擋也會使建筑局部產(chǎn)生一定程度的病害。由此可見,自然環(huán)境、區(qū)域氣候條件和微氣候作用共同形成文物建筑病害的綜合環(huán)境條件,在木構(gòu)文物建筑的不同空間朝向下的微氣候產(chǎn)生偏差,并對建筑局部造成病害損傷。

對此,課題組在對314 棟樣本文物建筑的病害規(guī)律進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上,分別于2017 年8 月10 日13:30-16:00 對南京總統(tǒng)府建筑群,2017 年8 月14 日10:00-12:00 對蘇州曲園、耦園建筑群,2017 年8月20、21 兩日13:30-17:00 對廣州沙面、光孝寺和陳家祠等3 處建筑群,進(jìn)一步展開微氣候檢測。檢測儀器使用testo-435 多功能測量儀、TRM-GPS1 型手持網(wǎng)絡(luò)氣象站及紅外線測距儀(表1)。用手動測試法,測試文物建筑4 個立面,高度1.2m,兩側(cè)和中間3 個測點(diǎn)位置穩(wěn)定狀態(tài)下的瞬時數(shù)據(jù)。測點(diǎn)編號以英文字母小寫按順序標(biāo)記每處文物建筑的棟數(shù),1-4 分別標(biāo)記南、西、北、東4 個立面,測點(diǎn)按順序標(biāo)記1-3。例如光孝寺第3 棟樣本文物建筑東立面第2 個測點(diǎn)編號即為c42 以此類推,每個測點(diǎn)測量3 次并取其測試平均值。

表1 測試儀器及相關(guān)參數(shù)

2 致病規(guī)律探查

研究首先將調(diào)研采集的木構(gòu)文物建筑的病害圖像信息,按照病害形態(tài)和分布規(guī)律進(jìn)行歸納、分類、編號和登記。木構(gòu)文物建筑病害的表現(xiàn)特征在不同地域、不同城市、同一建筑組群的不同位置具有鮮明的差異性和多樣性,從形態(tài)特征上可分為白華與斑痕變色、皸裂與面層脫落、開裂與腐朽剝落3 個類型,從損傷程度上可以細(xì)分為多個小類。

2.1 白華與斑痕變色

白華與斑痕變色是木構(gòu)文物建筑常見的病害類型,也是外保護(hù)層破損、地仗層脫落的主要成因。調(diào)查中多數(shù)木構(gòu)文物建筑出現(xiàn)明顯白華和斑痕變色(表2),病害發(fā)生率為95%,其中白華病害可細(xì)分為輕微白華、嚴(yán)重白華和腐蝕性白華3 個小類,而斑痕變色常伴隨白華而生,可細(xì)分為潮濕斑痕和褪色斑駁2 個小類。

輕微白華的木材表面,覆蓋密集雨滴型、水流型和煙斑型3 種水漬狀態(tài)的泛堿層,也有沿木材紋理的細(xì)微裂縫、凹槽、木節(jié)坑洞積攢形成紋理泛堿;嚴(yán)重白華則出現(xiàn)保護(hù)層脫落,地仗層粉化,析出鹽晶體,雖未造成結(jié)構(gòu)破損,但分布范圍廣而均勻,多位于易受潮或與雨水接觸的部位;腐蝕性白華則造成表面結(jié)構(gòu)粉化和剝落,侵蝕木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)。斑痕變色和白華共生成為泛堿與正常部位的邊緣界線,其中潮濕斑痕在無保護(hù)層的木結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)出褐色、咖啡色和黑色3 種水漬痕跡,顏色越深程度越重;而褪色斑駁則是建筑色彩、彩畫的油漬、污漬對木結(jié)構(gòu)、墻體的污染狀態(tài)。

在針對白華與瘢痕變色病害部位的調(diào)研統(tǒng)計中不難看出(圖2),病害主要分布于木構(gòu)文物建筑檐部、額枋、梁架、柱子、墻身、門窗和非主體構(gòu)件,其中檐部、柱子、墻體和門板等部位病害發(fā)生率高于70%以上,而欄桿、樓梯踏步等非主體構(gòu)件發(fā)病比例低于20%。

2 白華與瘢痕變色病害部位統(tǒng)計

根據(jù)病害在木構(gòu)文物建筑各位置的統(tǒng)計結(jié)果,輕微白華、嚴(yán)重白華和斑痕變色這3 類病害情況較為普遍。主要損傷部位包括檐部、門窗和柱子,其中輕微白華現(xiàn)象的發(fā)生概率普遍高于嚴(yán)重白華和斑痕變色。白華無機(jī)鹽可以通過高鹽的土壤、含鹽海風(fēng)、鹽霧等方式侵蝕木構(gòu)件,尤其在木構(gòu)文物建筑梁架、額枋、門窗易受降水和地面濕氣直接作用的部位,最容易出現(xiàn)輕微白華現(xiàn)象。建筑檐部、柱子、門板上發(fā)生嚴(yán)重白華病害的發(fā)生率較高,而斑痕變色則在檐部和梁架位置發(fā)生率較高,特別是有彩畫裝飾的木構(gòu)件受到微生物侵蝕和光照作用最容易出現(xiàn)棕褐斑痕和褪色情況。

2.2 皸裂與面層脫落

皸裂與面層脫落病害常發(fā)生于飾面保護(hù)層(表3),病害發(fā)生率達(dá)到79.4%,其中皸裂的主要形態(tài)為橫向皸裂、縱向皸裂和不規(guī)則皸裂3 小類,橫向皸裂主要沿木質(zhì)橫向紋理方向不均勻密集分布,嚴(yán)重時造成油漆面層沿裂縫處起鼓起翹,并伴有輕微脫落;縱向皸裂比較常見,初期有間隔較大的淺層裂縫,且伴隨有少量表皮脫落;不規(guī)則皸裂在檐柱表皮容易出現(xiàn)直徑約5~8cm 的龜甲狀或魚鱗狀皸裂,或樹枝狀向兩側(cè)伸出細(xì)密集裂縫。另一類面層脫落病害有表皮起鼓、裂狀脫落、散狀脫落和片狀脫落4 小類,程度依次加深。表皮起鼓有線性褶皺后進(jìn)一步發(fā)展為裂狀脫落,裂縫邊緣呈現(xiàn)碎片狀犬牙交錯;散狀脫落表現(xiàn)初期以不規(guī)則、分散的直徑1~2cm 左右的皮屑型掉落,并伴有面層風(fēng)化和干裂,隨后沿結(jié)構(gòu)縱橫方向大面積片狀脫落,片狀脫落是表皮脫落的嚴(yán)重階段,深入破壞油漆層和地仗層,結(jié)構(gòu)脆化并裸露木材。此類病害主要分布在檐部、額枋、梁架、柱子、門窗和非主體構(gòu)件部位。

表3 樣本文物建筑皸裂與面層脫落病害表現(xiàn)

樣本中挑檐檁、柱子和門板等位置集中了70%以上的病害,檐部、梁架、樓梯和欄桿等位置占30%以下,墻體、窗戶等其他位置的病害發(fā)生率低于10%(圖3)。值得一提的是,調(diào)研中經(jīng)常得到維修與養(yǎng)護(hù)的文物建筑,皸裂病害發(fā)生率為69%,遠(yuǎn)高于面層脫落的31%。

3 皸裂與面層脫落病害統(tǒng)計

對部位病害的總結(jié)發(fā)現(xiàn),門窗、柱子等部位皸裂現(xiàn)象更為普遍,面層脫落集中在檐部、額枋門窗和柱子。由于保護(hù)層表面的微小孔隙吸收空氣中的水汽,又經(jīng)過風(fēng)和光輻射的加熱蒸發(fā),在木材表面凹凸不平的紋理薄弱處漲縮成鼓包,長期循環(huán)失去彈性并產(chǎn)生皸裂,之后進(jìn)一步開裂脫落。在東南沿海地區(qū)城市經(jīng)濟(jì)狀況良好的城市,大量木構(gòu)文物建筑經(jīng)過修繕,保護(hù)層病害現(xiàn)象相對較輕,更多的損耗發(fā)生在觸手可及的門板、樓梯扶手、臺階踏步等部位,人為碰撞、摩擦、劃刻痕跡較為明顯。

2.3 開裂與腐朽剝落

開裂與腐朽剝落是木構(gòu)文物建筑損傷情況較為嚴(yán)重的病害類型,常見開裂形態(tài)主要有零散式和集中式,少數(shù)情況下會出現(xiàn)斷裂(表4)。零散式開裂是木構(gòu)件開裂現(xiàn)象的初期表現(xiàn),在承重性構(gòu)件上的開裂情況較少但裂口大、程度深;非承重構(gòu)件則更為密集,但深度淺、裂口小、損傷程度較小。集中式開裂是開裂現(xiàn)象嚴(yán)重的表現(xiàn),承重性構(gòu)件應(yīng)力集中部位是此類病害的主要承受者。而腐朽剝落病害會伴隨泛堿和返潮現(xiàn)象,糟朽和植物侵蝕2 個小類會使保護(hù)層完全失效,出現(xiàn)明顯的潮濕水線和孔洞,常有苔蘚和小型低等植物向上蔓延滿墻。風(fēng)蝕剝落和生物剝落2 個小類會造成表面保護(hù)層鱗片狀、溝壑型剝落,使木材細(xì)胞壁呈海綿狀變軟或方塊狀龜裂,可用手捻成粉;白蟻侵蝕留下孔隙及分泌物形成不規(guī)則縱橫交錯的蟲道。

表4 樣本文物建筑開裂與腐朽剝落病害表現(xiàn)

該類病害主要分布在檐部、額枋、梁架、柱子、門窗和非主體構(gòu)件等位置(圖4),其中檐部、梁架、墻體和門窗等病害發(fā)生率占到調(diào)研樣本30%以上,其他非主體構(gòu)件則病害發(fā)生率低于20%。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,木構(gòu)文物建筑發(fā)生的開裂病害主要集中在柱子和門窗等由小木作拼接部位,腐朽現(xiàn)象發(fā)生在挑檐、柱腳、梁端、榫卯連接處和地面的交界處等不易察覺的部位。除合理保護(hù)修繕及時外,病害的低發(fā)生率也得益于傳統(tǒng)木構(gòu)文物建筑結(jié)構(gòu)在力學(xué)上良好的穩(wěn)定性,梁柱體系平均傳遞上部荷載,較少產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 開裂與腐朽剝落病害統(tǒng)計

綜上所述,木構(gòu)文物建筑的病害形態(tài)特征和分布規(guī)律,在一定程度上反映了東南沿海文物建筑致病環(huán)境的作用特點(diǎn)。這種作用特點(diǎn)具體表現(xiàn)在降雨和濕氣直接作用的部位容易滋生白華與斑痕變色病害;光輻射和濕氣循環(huán)作用的位置,木構(gòu)件保護(hù)層普遍發(fā)生皸裂與面層脫落病害;在接近地表、容易受潮的部位發(fā)生開裂與腐朽剝落。雖然病害形態(tài)和分布狀況各有不同,但只要“水量豐富”的部位多數(shù)會產(chǎn)生表面污染、殘損集中、蟲害滋生等病害現(xiàn)象。濕環(huán)境成為重要的致病環(huán)境因素,光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境作為輔助特征共同影響文物建筑的健康與壽命。

3 致病機(jī)理解析

3.1 濕環(huán)境:水的滲透滋生

同日檢測的沙面和陳家祠各立面濕度值在52%~58%之間(圖5),次日光孝寺檢測時廣州開始下雨,濕度值普遍上升到60%~70%;而在南京總統(tǒng)府的檢測濕度值則在70%~90%的范圍上下浮動;蘇州曲園和耦園的濕度值在60%~80%之間。綜合測試樣本的北立面濕度平均值為62%,建筑飽受濕氣侵蝕,材料面層分布有明確的水線潮濕痕跡,在4 個立面中潮濕最嚴(yán)重。南立面的濕度平均值為51%,在檢測時段立面濕度均值最低但方差最大,數(shù)據(jù)波動范圍大說明濕環(huán)境出現(xiàn)快速干濕轉(zhuǎn)換,所以常呈現(xiàn)白華、斑痕、皸裂、剝落等多種病害形態(tài)。而東西立面均值濕度值在52%~54%之間,波動幅度最小,濕環(huán)境相對穩(wěn)定,相應(yīng)病害侵蝕情況也較為緩和。

5 測試樣本濕度值

值得注意的是,檢測局部濕度大于70%時,常滋生苔蘚類低等植物,附著于近地面的柱腳、柱身、木板墻角、臺基等部位,還有白蟻啃噬將內(nèi)部蛀空(圖6)。在濕度大于90%的部位常有腐朽病害,木腐菌和軟腐菌催化劑分解木材纖維、木質(zhì)素和多糖體,結(jié)構(gòu)發(fā)生疏松、孔篩或粉化,使木材整體結(jié)構(gòu)變形容易斷裂(圖7)和側(cè)傾(圖8),這一類病害多發(fā)生于非主體構(gòu)件部位。

6 福州二梅書屋木材蟲蛀

7 福州三坊七巷木門斷裂

8 常州近園木框架側(cè)傾

由此可見,潮濕的部位病害種類豐富,病害與濕環(huán)境密不可分,且濕度越高木構(gòu)文物建筑的損傷程度越嚴(yán)重。在長時間處于濕度70%以上的局部位置,微氣候的潮濕程度大于區(qū)域氣候濕度則容易產(chǎn)生白華與斑痕變色,白華與斑痕變色預(yù)示著文物建筑開始受到自然環(huán)境的侵蝕。此類病害往往缺乏重視,特別是對于保護(hù)等級較低的文物建筑,由于缺乏必要的日常維護(hù),病害肆意蠶食木構(gòu)件表面,又開始侵蝕內(nèi)部,從而造成不可逆的損傷。因此,即使是濕度值變化較小的表層病害應(yīng)及早發(fā)現(xiàn)并制定行之有效的防護(hù)策略。

3.2 光環(huán)境:光的能量干擾

光環(huán)境不僅使溫度產(chǎn)生偏差還直接參與病害,對致病環(huán)境起到較強(qiáng)的干擾作用。陽光中的紅外線增加輻射溫度,在各立面形成的溫度差會影響濕度變化,木材由此產(chǎn)生膨脹與聚縮容易導(dǎo)致皸裂與面層脫落。從光輻射的檢測數(shù)據(jù)看(圖9),輻射值在建筑各立面變化幅度最大,沙面最高輻射可達(dá)624W/m2,最小為3W/m2,光孝寺最高值265W/m2,最小值為3W/m2,陳家祠陽光輻射也在3~279W/m2之間;南京總統(tǒng)府在41~342W/m2范圍內(nèi)變化;蘇州曲園和耦園則為42~608W/m2。其中,木構(gòu)文物建筑的南立面是受光輻射值最高的面,這一側(cè)的檢測溫度最高達(dá)到38℃,其平均溫度36.01℃,而北、東、西立面的平均溫度分別為35℃、35.3℃、35.8℃,均低于南立面,可見南立面是光輻射的主要承受面。

9 測試樣本光輻射值與溫度值

因此,發(fā)生在南立面木構(gòu)件的承重部分集中式開裂現(xiàn)象較為普遍(圖10),柱頭、柱身和門板部位皸裂與面層脫落發(fā)生比率較高(圖11),同時嚴(yán)重白華的無機(jī)鹽晶體深入孔隙內(nèi)部,伴隨漲縮作用使梁頭、門窗等非承重構(gòu)件產(chǎn)生細(xì)密的分散性開裂。此外,紫外線和可見光也會直接作用于木材表面,引起光化學(xué)效應(yīng),加速油漆老化、彩畫褪色,為木材內(nèi)部自由基與水分子鍵分離提供能量,造成木材表面褪色,出現(xiàn)白邊黑褐色斑痕(圖12)。

10 魯迅祖居檁條集中開裂

11 湖州張石銘舊宅皸裂脫落

12 福州嚴(yán)復(fù)故居光化學(xué)變色

總的來說,光環(huán)境的能量變化對文物建筑的干擾作用十分明顯。陽光照射不僅使保護(hù)層皸裂脫落,還使飾面軟化光解。在光環(huán)境充足的夏季晝夜溫差可達(dá)10℃以上,木構(gòu)文物建筑的皸裂與面層脫落現(xiàn)象普遍多見。面層脫落造成保護(hù)層失效,病害部位成為無機(jī)鹽及生物侵入的通道,同時被保護(hù)的木構(gòu)件直接暴露在外,致使?jié)駳夂苋菀浊秩肽窘Y(jié)構(gòu)內(nèi)部,進(jìn)一步引發(fā)木構(gòu)件變形、開裂和腐朽。因此,對光輻射的控制至關(guān)重要,避免過度光照的同時維持一定范圍的溫度可以對文物建筑起到良好的保護(hù)作用。

3.3 風(fēng)環(huán)境:風(fēng)的溶鹽剝蝕

風(fēng)環(huán)境不僅影響濕度變化,也可以造成木構(gòu)文物建筑的物理損傷,木構(gòu)件表層被風(fēng)力周而復(fù)始的長期掏蝕。根據(jù)樣本檢測數(shù)據(jù),廣州沙面、陳家祠和光孝寺的大部分測試風(fēng)速低于1m/s(圖13),但是這幾處文物建筑的風(fēng)速平均值最高達(dá)到0.61m/s,且風(fēng)速在南北立面變化不均。南京總統(tǒng)府、蘇州曲園和耦園的各測點(diǎn)出現(xiàn)大于1m/s 的瞬時風(fēng)速,但風(fēng)速均值只有0.38m/s,整體風(fēng)環(huán)境呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

13 檢測樣本風(fēng)速值

進(jìn)一步對比木構(gòu)文物建筑各立面的風(fēng)速分布情況發(fā)現(xiàn),盡管廣州地區(qū)風(fēng)速相對較高,但由于城市結(jié)構(gòu)以及文物建筑院落式布局,內(nèi)部風(fēng)速還是較小。光孝寺天王殿風(fēng)經(jīng)由主入口直接進(jìn)入建筑組群內(nèi)部(圖14),有明顯較高的風(fēng)速。這里有必要提出,在風(fēng)速較高的部位木構(gòu)文物建筑表面白華酥堿或變色結(jié)殼現(xiàn)象較為普遍(圖15)。沿海區(qū)域的海風(fēng)帶來潮濕多鹽的物理剝蝕,既有鹽溶液的化學(xué)腐蝕又包含物理破壞,造成白色無機(jī)鹽晶體成分主要包括Ca(OH)2、CaCO3、Na2SO4及K2CO3等[13],在泛潮的部分率先出現(xiàn)棕褐色潮濕水線,積累成白華泛堿向內(nèi)部擴(kuò)展,木材內(nèi)部的木質(zhì)素也會受酸堿降解(圖16),最終導(dǎo)致腐朽變形等深層病害加速結(jié)構(gòu)性衰敗。而在風(fēng)速幾乎為零的部位,潮濕加劇,風(fēng)力受限,建筑門下沿、墻角及柱腳最容易產(chǎn)生腐朽和生物侵蝕等病害現(xiàn)象。

14 廣州光孝寺天王殿正立面

15 廣州仁威祖廟木材泛堿白華

16 福州二梅書屋木作降解褪色

綜上所述,木構(gòu)文物建筑致病環(huán)境對病害具有明顯的影響,濕環(huán)境中水的滲透滋生作用使木構(gòu)件遭受不同程度的變形膨脹、白華泛堿、斑痕變色等生物侵蝕,是形成病害的主要原因;光環(huán)境的溫度變化不僅造成木材干縮開裂、面層皸裂脫落,還可以直接使油漆、彩畫等變質(zhì)褪色,長短輻射波還對文物建筑直接進(jìn)行能量擾動;風(fēng)環(huán)境不僅影響濕度,還從海面直接帶來鹽溶液對文物建筑長期的鹽風(fēng)剝蝕。致病環(huán)境對病害是一個漫長而持續(xù)的作用過程,風(fēng)、光、濕等多重條件疊加可以加速病害的破壞進(jìn)程。在這個進(jìn)程中,水是造成建筑病害的主要病因,由于木材天然多孔隙的脈絡(luò)性結(jié)構(gòu),水分容易通過內(nèi)部的管道快速滲入材料各處,裹挾無機(jī)鹽、反應(yīng)介質(zhì)等成分,附加光輻射和風(fēng)速的復(fù)合作用造成木構(gòu)文物建筑復(fù)雜的病害形態(tài)。

4 結(jié)論

針對自然氣候條件下文物建筑自然老化與持續(xù)性損傷問題,本文基于微氣候的參數(shù)檢測對東南沿海地區(qū)木構(gòu)文物建筑病害問題展開研究,探索致病環(huán)境與病害特征之間的內(nèi)在聯(lián)系并得出以下結(jié)論:

(1)致病環(huán)境在宏觀的自然氣候特征和區(qū)域氣候條件的制約影響下,因木構(gòu)文物建筑空間形態(tài)和立面朝向的不同產(chǎn)生微氣候的作用差異,這種微氣候差異造成形態(tài)各異、錯綜分布的病害狀況,并對木構(gòu)件的病害損傷起決定性作用。

(2)在對東南沿海地區(qū)10 個城鎮(zhèn)314 處木構(gòu)文物建筑的病害調(diào)查發(fā)現(xiàn),木構(gòu)文物建筑包含白華與斑痕變色、皸裂與面層脫落、開裂與腐朽剝落病害形態(tài)規(guī)律,病害損傷逐級加深,病變逐步侵蝕內(nèi)部結(jié)構(gòu)等病害現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅文物建筑的生存狀態(tài)。

(3)在檢測日的區(qū)域氣候條件下,文物建筑微氣候濕度大于70%的部位干濕變化加速,低等動植物、白華腐朽的侵蝕更加嚴(yán)重;在光輻射值最高、平均溫度達(dá)到36.1℃的南立面,皸裂與面層脫落、光解褪色等病害損傷;在局部風(fēng)速較高的位置容易造成白華、酥堿等鹽風(fēng)損傷,而在風(fēng)速較為穩(wěn)定的區(qū)域,斑痕、腐朽侵蝕情況嚴(yán)重。

研究通過對木構(gòu)文物建筑風(fēng)速、溫度、濕度和光輻射測試數(shù)據(jù)的分析表明,微氣候在不同立面朝向和病害部位的致病機(jī)理因參數(shù)不同而各有側(cè)重。其中濕環(huán)境是病害損傷的主要因素,光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境是破壞的輔助因素,病害損傷因水滲透滋生、光的能量干擾和風(fēng)的溶鹽剝蝕形成東南沿海地區(qū)木構(gòu)文物建筑特有的環(huán)境破壞機(jī)制。

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