西安明城墙遗址主要病害勘察及成因分析

西安明城墙遗址主要病害勘察及成因分析

《咸阳师范学院学报》 2011年06期 黄四平，王肃

摘 要：对西安明城墙进行实地调查和资料调研后发现,明城墙主要存在盐分结晶引起的墙体泛白、墙体裂缝、表面风化、墙体掏蚀和彩绘层的起翘、脱落与模糊五种病害，并对其成因进行了分析，为古城墙保护提供了科学依据。

西安明城墙是明代初年在唐长安城的皇城基础上建造起来的，至今已有600多年历史。西安明城墙是我国现存的惟一完整的古代大型城垣建筑，也是世界上现存规模最大、保存最完整的古代军事城堡设施，具有很高的历史、文化和使用价值[1-2]。

明城墙内部是用土夯筑而成，外部用砖包砌而成，它的一些建筑部分，如城楼、箭楼、角楼等是用木材建造，在这些结构上还保存有完好的、有较高研究价值的珍贵彩绘。明城墙的组成复杂性，使其保存、保护、修复变得困难。本文通过实地调查和资料调研，发现明城墙遗址的病害主要有5种，分别是盐分泛白、裂隙、表面的风化、墙体基础掏蚀与塌陷、彩绘的模糊淡化等，初步分析了产生这些病害的成因，以期对城墙后期保护策略的制定打下基础。

1西安城墙病害勘察方法

收集和实地调查影响西安明城墙耐久性保护内在因素和外在环境因素的有关文献资料；按照工程地质测绘的方法对西安明城墙各种病害进行勘察测绘。

2主要病害类型及成因分析

2.1盐分结晶引起的泛白

盐分结晶引起的泛白在西安明城墙到处可见，这种病害主要发生在城墙侧面的中上部，城墙的顶部平面以及排水沟附近（图1，2）。城墙侧面中上部的盐分结晶主要发生在城墙外侧面的距地面7～12 m的范围内，内侧主要发生在新补的砖面上。同时，城墙的南侧发生的较北侧严重，西侧较东侧严重。

盐害是造成各类遗址破坏的主要因素之一。引起盐分结晶的因素较为复杂，通过调查，主要有两个方面的原因：一是内因，即在制砖的材料内含有较多的盐分以及砖内包贴的夯筑墙体土壤含有较多的盐分，城墙砖的水分和墙体内部的水分通过墙体表面蒸发，盐分就会结晶形成沉淀被残留下来。在城墙的顶部的砖块，大多数是1983年修缮时更换的砖块，这些砖块与墙体侧面的古砖相比，泛白严重；而近几年更换的砖块，较1983年更换的砖块，盐分结晶泛白现象更为严重，如在城墙南门至文昌门内侧，2007年由于阴雨导致城墙内侧600多m坍塌，在重新修复、更换新砖以后，这些新砖结晶泛白严重。这可能与造砖的选材与制砖工艺有关。二是外因，即与城墙所处的自然环境有关，特别是与降雨、温度关系密切。1951—2007年，57年来西安平均降水量为580.6 mm,年极端最低降水为319.4 mm（1995年），年极端最高降雨量为978.4 mm，两者相差659 mm[3]。西安年降雨量主要集中在7、8、9月，这些降雨有时形成特大暴雨。降雨一方面渗入砖体并沿着城墙顶部砖隙下渗到墙体，由于毛细孔的毛细作用的存在，毛细水将可溶盐带出墙体表面；另一方面降雨为城墙砖体带来了大量盐分，经研究西安地区降雨化学组成中，阳离子以Ca2+为主，平均浓度为269.35μmol/L，Na+次之，平均浓度为40.25μmol/L；阴离子以SO 2-为主，平均浓度为370.48μmol/L，NO—次之，平均浓度为82.01μmol/L[4]。随着温度的上升水分慢慢蒸发掉，盐溶液就会结晶膨胀，在墙体表面沉积下来，使城墙表面泛白。这样反复的作用下还会使墙体内部产生大量的裂缝，破坏遗址的内部结构。

2.2裂缝及裂隙

城墙面上长短不一的裂缝到处可见，如图3，大大小小的裂缝足有200余条，其中长接近8 m、宽4 cm以上的就有30多条，城墙东北角的情况最为严重，有的裂缝甚至从城墙垛口一直延伸到底部，紧邻城墙东北角的一面垛墙上裂缝就有8条多。小南门到西南城角，裂缝也较为严重，有的裂缝达到了30 cm(图4)。2006年西安城墙景区管理委员会和西安文保中心共同对城墙的较大裂缝建立了观测点，以观测这些裂缝的发展状况。城墙地基下沉，城顶海墁城砖开裂，墙体出现沉降、裂缝，导致雨水下渗直接破坏墙体。造成裂缝的主要原因有：一是夯土层之间差异，从含光门城墙的五期断面来看，从底到顶，从里到外依次是隋唐夯土层、唐末五代的夯土层、宋元夯土层、明清夯土层、近现代夯土层等五大城墙文化层断面，后时代夯土层在前一时代夯土层的基础上加叠建造而成。城墙大部分夯土层主体为明代所建，不同时代的城墙土体之间的成分不同，土体的化学组成与热力学常数、粘结度等物理性质和化学性质存在差异，在外界环境变化时，不能协同变化导致裂缝出现。二是雨水下渗，原来完整的排水系统现在损坏严重，有的排水口被封，有的排水不畅，海墁上存在的不均匀沉降也导致排水坡度起伏，极易造成积水，雨水下渗使墙体出现裂缝，又导致海墁裂缝进一步增大。城墙西南角台、东南角台渗水较严重。三是墙体负载过大，城墙近几年来是旅游热点，人流量大，电瓶车、自行车多，而且城墙内外修建了许多高楼大厦，导致墙体负载过大。四是孔洞威胁，城墙经历了抗日战争、解放战争和文革等时期，留下许多暗堡、防空洞，这些孔洞给墙体带来很大威胁。1983年北门箭楼垮塌和2004年西门南侧第一马面夯土塌陷就是防空洞惹的祸。目前西门箭楼北侧地基下沉，也是因防空洞所致[5]。五是地下水的过度开采，导致地基下沉。六是震动，城门以及城墙内外两侧紧邻公路，车流量大，同时城墙上经常举行大型活动，这些震动是造成城墙裂缝的发育及裂缝发展不可忽视的因素。

2.3表面的风化

城墙表面风化严重发生在城墙的南侧和西侧，海墁的出水口下方以及上下城墙坡的侧面。主要原因：一是城墙盐分的不断溶解收缩-结晶膨胀-再溶解收缩-再结晶膨胀，在这个循环过程中破坏了墙体原有的晶体结构，严重降低了墙体力学性能，其结构就遭到破坏，晶体结构变得松散、粘聚力下降、强度降低，在遗址表面就会形成凹凸不平的结构面，凹凸不平的表面土体由于相互之间的连接作用减弱，在外营力的作用下表面薄弱部分渐渐出现粉化、脱落等现象（图5，6）。二是水分作用，特别是酸降雨冲刷，西安地区1-3月和10-11月降雨pH低，酸雨出现频率高，其中3、5、11月降雨pH最低，为4.2～4.4[6]，随西安工业化发展，pH呈现降低趋势，酸雨出现频率增加。酸雨造成砖体之间的粘结物流失，同时促使盐分的溶解收缩和结晶膨胀，加剧了盐害的发生。三是温度，温差变化是城墙表面风化的一个重要因素。从1951—2007年，57年来西安市气温在波动中呈现出上升趋势，57年平均温度为13.86℃，年极端最低气温－20.6℃(西安1995年1月11日)，年极端最高气温43.4℃(长安1966年6月19日),两者相差64℃；研究还表明，从1970年以后，我国大部分气温升高明显，降雨减少，极端天气气候事件发生的频率增加[7]。温差引起水分在砖体内部分布不均以及冻融过程，产生内应力，造成表面风化，四是其他因素，如风吹、日晒、动物的攀爬、营穴等造成表面的风化。墙体受力结构受到了破坏，产生应力重分布，墙体为了达到一个新的受力平衡点会出现裂缝以卸去内应力，墙体受到以上反复的作用，裂缝就会变多变宽，直至墙体坍塌。

2.4墙体掏蚀

在城墙的墙体上普遍存在墙体掏蚀病害，掏蚀病害主要有砖体的粉化掏蚀（图7）和砖体的脱落掏蚀（图8）。砖体的粉化掏蚀主要与砖体的可溶盐有关，当砖体含有较多的易溶盐，在地下水、毛细水、雨水冲刷等的作用下，可溶盐遇水周期性的溶解收缩一结晶膨胀-再溶解收缩，破坏了砖体原有的晶体结构，其严重降低了墙体力学性能，其结构就遭到破坏:晶体结构变得松散、粘聚力下降、强度降低，在雨水的冲刷作用、风力影响下砖体表面物质不断被剥蚀、脱落，砖体就不断被掏蚀凹进；掏蚀病害的发生主要是因为降雨，在降雨的时候，砖体与砖体之间的胶结材料，主要是白灰层和颗粒较大的砂粒，白灰层经过空气中二氧化碳作用形成碳酸钙，起到胶结作用。随着酸雨或雨水的长期冲淋，以及空气中二氧化碳、二氧化硫等气体增多，这些酸性气体与水分结合成碳酸和亚硫酸等，与碳酸钙作用形成可溶性的碳酸氢钙，随雨水流失。这些胶结物质流失后造成墙体掏蚀，甚至砖体不稳，脱落等病害。

2.5彩绘层的起翘、脱落及彩绘模糊淡化

在城墙的城楼、箭楼、角楼等部位珍藏有大量的珍贵明清彩绘，如西安城墙的安远门上保存600余年的千余平方米的精美彩绘，这些彩绘为研究明清彩绘的工艺和建筑艺术史提供了要资料。但是这些彩绘在经历数百年的历史时期中，遭受风化、氧化、有害气体的侵蚀和各种尘源污染，出现了色彩、图案的模糊淡化（图9）及彩绘层的整体起翘、脱落（图10）等病害，使其失去了原貌，甚至有的消失殆尽，无法辨认。产生这些病害的原因主要有：一是内因，包括彩绘层的载体木材、彩绘的成分和胶黏剂，随着时间的推移，这些材料发生老化变质；二是外因，包括最常见也最基本的因素就是温湿度，光照、空气中的有害气体等。温度的急剧变化引起彩绘层的膨胀或者冻融现象，加速加剧有害反应的发生，从而造成对彩绘的破坏。水分是各种反应的媒介，相对湿度的交替变化会引起彩绘中可溶性盐类发生溶解-结晶现象，使地仗中和画面内积聚大量可溶性盐类，造成彩绘酥解风化。对于直接暴露在室外的彩绘文物，经过长期的光照后，彩绘中的胶结材料老化，造成彩绘粉化脱落，部分有机颜料褪色，部分无机颜料变色等,室内的彩绘，由于安远门的城楼内的商业活动，长期强烈的灯光照射，也会引起颜料光老化，使彩绘的色彩或图案模糊淡化。彩绘文物所处的环境中的空气组成亦很重要，有些成分，如CO2、SO2、H2S、NO2等会形成酸，直接破坏彩绘，它们或与颜料发生氧化还原作用，或与固相反应发生沉淀转化而破坏颜料，导致变色。

3结语

西安城墙经历600多年的风雨，出现了盐分引起的墙体表面泛白，表面掏蚀、表面风化、开裂及裂缝、珍贵彩绘层的粉化脱落及彩绘的模糊淡化等病害，这些病害相互交织在一起，共同构成了明城墙的病害特征。

产生这些病害的原因主要有：构成墙体材料成分的复杂性使其理化性能差异，导致病害的发生；墙体的建造工艺和不同时期已用的修复材料、工艺不同，使其结构上不能较好融合，出现病害；外界温度、湿度、降水、光、大气污染形成的酸雨，城墙旅游等外部因素也是导致病害发生的重要因素。