作为实验对象的元代建筑壁画绘制于辽宁义县奉国寺大雄殿四面檐墙的内壁, 内容为十佛、 八菩萨和两幅十一面千手千眼观音^[11], 总面积约为470 m²。 相邻两檐柱之间(即一个间口内)的画面为一个相对独立的单元, 按其所在方位分别编号为E1—E5、 W1—W5、 N1—N8、 S1—S2, 壁画具体分布见图1。

图1

Fig.1

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	图1 壁画分布及部分典型裂隙Fig.1 Mural distribution and some typical cracks

20世纪80年代, 配合大雄殿的落架维修工程, 以间口为单位, 按从上到下的顺序, 分段对这些壁画采取了正面支护、 背面拆除墙体并增加新支撑层的原地加固保护措施, 使壁画的原始结构发生了较大改变^[12]。 此后壁画表面逐渐出现大量严重的裂隙病害, 按其产状可分为纵向裂隙与横向裂隙两大类: 前者主要沿檐柱分布, 较长较深; 后者则在间口内部呈上下若干层平行分布, 多以浅短裂隙组的形式构成横向发育趋势^[13]。 其中尤以N1、 N2墙体交界附近的裂隙发育最为严重, 纵向裂隙两侧墙体存在前后位错, 较高处有横向长裂隙与纵向裂隙交叉呈“十”字形(图1)。 这些裂隙将画面分割开来, 不仅破坏了壁画的完整性, 还对其稳定性造成了较大影响。 而要制定科学有效的裂隙病害治理方案, 首先要明确裂隙的形成过程。 在排除了墙体受荷、 沉降等剧烈外力因素影响的可能性后^[14], 研究转向了赋存大气环境与壁画本体之间相对缓慢的热量传递过程。

所用仪器为西安豪克电子有限公司生产的E384型在线红外热像仪, 镜头焦距25 mm, 视场角15°×11.5°, 非制冷焦平面探测器, 分辨率384×228 ppi, 噪声等效温差60 mK。 该仪器除了能拍摄某一时刻的红外热像图外, 还能录制连续的红外热像视频, 录制率设置为每5 min 1帧。 输出结果可通过仪器配套的分析软件(Hawk-IRTool v2.5.5)进行点、 线、 面形式的温度测量。 仪器在正式使用前充分预热, 并经过大气参数修正。

(1)在外界气温变化较为剧烈的时段拍摄壁画表面的红外热像图, 利用外环境的热激励作用获得壁画内部的结构信息, 以弥补其他勘查手段的不足。 此过程类似于运用主动式红外热像法开展的壁画保存状态评估工作。

(2)在东、 西墙中部各选取一条纵向长裂隙(E3—E4, W2—W3), 录制其晴天全天的红外热像视频, 以获知纵向裂隙局部的环境传热特征。 两处裂隙的监测日期相近, 分别为2018年4月18日(日出5:10/日落18:38)和2018年4月24日(日出5:01/日落18:44)。

(3)选取北墙N1壁画整体作为监测对象, 重点录制其晴天白天及日落后一段时间内的红外热像视频, 以获知较大画面范围内环境传热的总体特征, 监测日期为2019年2月2日(日出7:06/日落17:11)。

使用仪器配套分析软件中的线、 面工具测量红外热像视频中各特征区域(裂隙、 普通墙体表面、 木骨处墙体表面)的平均温度, 比较不同区域温度随时间变化的情况。

采用气象研究中常用的累积距平法和小波分析法分别对温度变化趋势及周期波动性进行分析^[15]。 其中, 累积距平能够反映不同时刻温度在全监测时段中相对水平的高低; 小波分析则能揭示连续数据在不同时间尺度上的能量波动情况, 且适用于对非平稳信号的处理。 本研究选取cmor小波作为小波分析的基函数, 分析利用Matlab软件进行。

从传热学角度对监测和分析结果进行定性讨论, 区分壁画不同位置的传热影响模式, 并结合裂隙产状特征对其形成过程进行初步判断。

由现场初步观察和工程报告^[12]已知, 原地加固保护后的壁画属多层均匀结构, 由表及里依次为颜料层、 底色层、 细泥层、 粗泥层、 环氧树脂-玻璃纤维背衬层、 红砖墙、 土坯墙, 其中环氧树脂-玻璃纤维背衬层与红砖墙之间通过若干个玻璃钢牵拉装置相连接。 而内窥镜的调查结果显示, 背衬层与红砖墙的联系并不紧密, 存在2~5 cm厚的空气间层, 其中还发现有贴附于背衬层上的木骨。 某些木骨临近背衬层的表面因变形应力发生劈裂, 背衬层局部存在树脂挂流现象。 在内夹檐柱的部位, 土坯墙较薄, 柱周包裹有芦苇和板瓦, 形成疏松的空气通道; 柱身内侧与红砖墙相临、 外侧根部经由一个通风口与外界大气相连(图2)。 由此可见, 壁画结构在平行于画面方向上并不完全均匀, 这造成了垂直画面方向传热通路的潜在差异。

图2

Fig.2

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	图2 加固保护后的壁画结构剖面Fig.2 Cross section of mural structure after reinforcement and protection

红外热像图一方面验证了工程报告的记述和内窥镜的调查结果, 另一方面补充完善了壁画的结构信息, 尤其是从整体角度揭示了加固后壁画的结构特点(图3)。 背衬层后贴附的木骨呈上下5—6层平行分布(在热像图中显示为横向高温条纹), 没有纵向木骨与其组合成常用于加固揭取壁画的网格框架; 相邻两间口的木骨不连续, 其数量和高度位置都存在一定差异。 这些特征与逐间口、 上下逐段加固的施工顺序是相符的。 就裂隙与木骨的相对位置来看, 檐柱处纵向长裂隙都恰好从相邻两间口横向木骨的端部之间穿过, 未发现木骨跨裂隙延伸的现象; 间口内平行短裂隙组在热像图上不可见, 但通过现场特征位置比较, 发现其与多层横向木骨交错分布, 且裂隙多靠近木骨位置边缘。

图3

Fig.3

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	图3 背衬层后木骨排布方式红外热像图 (a): 东南角; (b): 北墙东段; (c): 北墙西段; (d): 西北角Fig.3 Infrared thermogram of the arrangement of wood keels behind the backing layer (a): The southeastern corner; (b): East section of the north wall; (c): West section of the north wall; (d): The northwest corner

调查结果所显示出的壁画内部结构的不均匀性, 在造成传热通路潜在差异的同时, 也使得结构强度具有明显的分区特征: 虽然壁画从外观来看是画面连续的整体, 但在不同尺度和方向上具有不同的强度割裂性。 首先, 一个间口的壁画是一个相对独立的强度单元, 间口交界处属强度薄弱部位; 其次, 在间口内部, 由于缺少纵向木骨的补强, 横向木骨之间的部分在水平方向上较为薄弱; 同时, 环氧树脂因固化缓慢在重力作用下形成的挂流也使得不同水平高度的强度存在差异; 此外, 在垂直画面方向上, 因空气间层的存在, 背衬层之前的壁画主体结构与红砖墙之后的支撑体结构之间为强度断层, 支撑体对壁画主体的支撑补强作用有限。 当壁画内部产生的应力达到一定阈值时, 会被优先约束至上述结构薄弱部位集中释放, 造成壁画结构的断裂和破坏。

2.2.1 东墙中部纵向裂隙处的温度变化特征

图4显示了东墙E3—E4处纵向裂隙及附近普通墙体的测温区域, 其平均温度的日变化趋势如图5所示。 由图可知, 裂隙温度日变化范围为10.7~14.5 ℃, 日平均温度为12.0 ℃; 墙体温度日变化范围为10.7~13.6 ℃, 日平均温度为11.9 ℃, 总体波动幅度明显小于裂隙温度。 从温度变化趋势来看, 中午12:00前墙体温度略高于裂隙温度, 此后两者温度急剧上升, 裂隙温度开始显著高于墙体温度, 至下午16:00左右两者温度均升至最高; 下午20:30左右, 裂隙温度与墙体温度开始趋同并缓慢下降, 至次日上午6:00左右两者温度均降至最低; 次日上午7:30左右, 两者温度又开始同时升高。

图4

Fig.4

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	图4 E3—E4裂隙局部红外热像图Fig.4 Local infrared thermogram of the crack E3—E4

图5

Fig.5

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	图5 晴天全天东墙温度变化趋势Fig.5 Temperature variation trend of the east wall during a sunny day

从累积距平曲线来看, 裂隙温度的累积距平区间大于墙体温度, 进一步说明了裂隙温度的日总体波动性更强。 裂隙和墙体温度的累积距平分别在12:15—20:40和13:00—21:40处于上升区段, 即此时两者温度分别处于当日温度的高位, 这与裂隙温度显著高于墙体温度的时段基本吻合, 说明在该时段内环境传热造成的影响更为明显。 与裂隙温度相比, 墙体温度的变化具有一定的滞后性, 反映出裂隙处具有比普通墙体表面更快的传热过程。

东墙E3—E4处纵向裂隙及附近普通墙体平均温度的小波系数实部等值线图和小波方差图见图6。 其中, 小波系数实部等值线图中的冷暖色调代表了温度相对偏高或偏低, 等值线数值的大小反映了局部波动信号的强弱; 小波方差图则显示出温度波动信号随时间尺度的分布情况, 图上的每个峰位代表了不同时间尺度下的主周期。

图6

Fig.6

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	图6 东墙温度小波系数实部等值线图及小波方差图 (a): E3—E4裂隙; (b): 裂隙附近墙体Fig.6 Wavelet coefficient real part contour map and wavelet variance map of the east wall temperature (a): The crack E3—E4; (b): The wall near the crack

由图6可知, 在60个单位时间(300 min)以上尺度下, 裂隙温度和墙体温度均有着最为明显的周期性波动特征, 该波动基本是全时域的, 但裂隙温度的波动能量略高于墙体温度, 且其第一主周期的确定性相对更强。 裂隙温度的其他4个次级峰值分别对应于36(180 min)、 24(120 min)、 12(60 min)和7.5(37.5 min)个单位时间的尺度, 其中, 36(180 min)个单位时间在14:30—18:30时域上波动最为明显; 24(120 min)个单位时间在9:30—12:30、 3:30—7:30两个时域上有较为明显的波动性; 12(60 min)和7.5(37.5 min)单位时间的波动能量较为微弱, 分别在14:30—16:30、 11:30—12:30时域上存在可见信号。 墙体温度在36(180 min)、 21(105 min)个单位时间尺度上存在不甚明显的次级峰位, 前者的较强信号时域大致为10:30—17:30、 6:30—9:30, 后者则大致为3:30—5:30。

2.2.2 西墙中部纵向裂隙处的温度变化特征

图7为西墙W2—W3纵向裂隙及附近墙体的测温区域, 其晴天全天的温度变化趋势见图8。 裂隙温度与墙体温度的日变化范围分别为11.6~14.6和11.6~14.4℃, 日平均温度分别为12.9和12.8 ℃, 两者的水平和总体波动性差异不大。 从温度变化趋势来看, 除次日6:00之后裂隙温度与墙体温度趋于一致外, 其他时间裂隙温度均略高于墙体温度; 两者温度升至最高和降至最低的时间分别为16:00和次日6:00左右, 这与东墙的变化节点相同。

图7

Fig.7

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	图7 W2—W3裂隙局部红外热像图Fig.7 Local infrared thermogram of the crack W2—W3

图8

Fig.8

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	图8 晴天全天西墙温度变化趋势Fig.8 Temperature variation trend of the west wall during a sunny day

累积距平曲线显示出裂隙温度有着比墙体温度略大的波动区间, 但在变化启动方面并没有明显的先后性。 曲线的上升区段大致为11:30—23:30, 前后时间范围均超过东墙, 表明西墙在更长的时间范围内处于较高温度水平, 这主要归因于西墙降温阶段的相对平缓。

西墙的小波分析结果如图9所示。 与东墙相似, 西墙裂隙及墙体温度在60个单位时间(300 min)以上尺度下的周期性波动特征最为明显, 强信号集中于约12:00—21:00, 与日高温区段基本重合; 裂隙的波动能量高于墙体, 同时西墙整体的波动能量低于同尺度下的东墙。 此外, 在42(210 min)、 21(105 min)、 7(35 min)个单位时间尺度下, 裂隙与墙体温度均分别存在次级峰值, 各尺度下两者的波动能量基本相当, 但墙体温度的主周期比裂隙温度更具确定性。 从时域上来看, 裂隙温度在42(210 min)、 21(105 min)个单位时间尺度下的波动能量分别集中于13:00—19:00、 14:00—17:00; 墙体温度则分别集中于10:00—19:00/5:00—8:00、 10:00—11:00/14:00—18:00, 时域广于裂隙温度。 7(35 min)个单位时间尺度下两者的能量波动均极为微弱, 仅可见于10:00之前的短暂时域中。

图9

Fig.9

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	图9 西墙温度小波系数实部等值线图及小波方差图 (a): W2—W3裂隙; (b): 裂隙附近墙体Fig.9 Wavelet coefficient real part contour map and wavelet variance map of the west wall temperature (a): The crack W2—W3; (b): The wall near the crack

2.2.3 东西墙纵向裂隙处传热特征的分析与比较

总体来看, 东、 西墙裂隙及墙体温度的变化趋势具有相似性, 而在波动信号及波动能量方面存在较大差异。 变化趋势的相似主要表现为温度转折节点的一致, 加之日出日落时间和宏观传热结构基本相同, 故各方向墙体接受到的热流输入较为均匀, 表明檐墙外壁的传热边界条件主要是以空气为媒介的导热和对流换热, 而非通过直接的太阳辐射。

在波动信号方面, 第一主周期的能量波动应来源于气温的日变化, 但由于监测时间只有一天, 故小波方差图上的最大值不代表实际的波动能量。 从温度极差来看, 东、 西墙体的差异极小, 反映出檐墙传热的相似性; 而裂隙的温度极差普遍大于墙体, 表明裂隙与外界大气可能具有较强的连通性, 裂隙的发育状况与其温度极差呈正相关。 此外, 东、 西墙次级主周期的峰位存在明显差异; 东墙中, 裂隙与墙体的次级主周期峰位也略有不同, 而西墙中两者则基本一致。 次级主周期的差异表明温度变化受到不同时间尺度下能量波动的影响。 这些次级波动能量可能来源于传热过程中的偶然扰动和变化, 如空气流速的改变、 传热介质的突变等。

从波动时域来看, 显著的能量波动集中于白天时段及前半夜, 且时间尺度越小能量波动越趋近于白天高温时段。 这一方面表明, 日落后积聚在空气中的热量仍能对壁画产生一段时间的影响; 另一方面, 也显示出较高频域内的微小能量波动更多来源于高温传热过程中的偶然扰动。

上述分析结果显示, 白天及日落后一段时间的温度变化差异在环境传热影响中起到了关键作用, 故选取裂隙发育最严重的北墙N1壁画整体作为监测对象, 重点分析其9:00—21:00的表面热像及温度变化特征。 由图10可知, 木骨处温度极差略大于普通墙体, 同时两者均显著小于裂隙温度极差。 在变化时滞性方面, 木骨处温度与普通墙体温度无明显差别, 而滞后于裂隙温度。 与东、 西墙相比, 北墙裂隙与墙体的传热差异似乎更明显, 这与北墙裂隙发育更宽更深直接相关。

图10

Fig.10

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	图10 晴天白天北墙N1温度变化趋势Fig.10 Temperature variation trend of the north wall (N1) during a sunny day

小波分析结果也证实了北墙裂隙的通透性(图11)。 从代表气温变化直接影响的第一主周期来看, 裂隙的波动能量可高于木骨处和普通墙体十倍以上; 各对应次级主周期的波动能量差距也十分明显, 且随着时间尺度的减小而减小。 木骨处与普通墙体的波动性较为相似, 但在不同时间尺度上两者的波动能量各有高低, 尤其是在42个单位时间(210 min)尺度下, 墙体的波动能量显著高于木骨, 这可能代表了结构差异对传热扰动的影响。

图11

Fig.11

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	图11 北墙N1温度小波方差图Fig.11 Wavelet variance map of the north wall (N1) temperature

图12更加直观地显示了北墙N1壁画表面温度分布随时间的变化情况。 其中, 裂隙和木骨的热图像相对于普通墙体均经历了从隐到显再逐渐变宽的过程, 表明两者处的表观导温系数更大; 随着时间的推移, 壁画表面形成高低温差异, 造成平行于画面方向的传热趋势, 从而使高温区域向外扩展。 在变化同步性方面, 木骨各处热图像的显现和扩展过程基本无差别, 而裂隙上部的升温和热图像扩展速度显著快于下部, 表明裂隙上部的通透性更强, 受到外环境的影响更剧烈。 对照裂隙上部伴随发育有横向长裂隙来看, 横向传热和大温差可能诱发了更大的局部应力。

图12

Fig.12

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	图12 晴天白天北墙N1红外热像图的变化 (a): 10:00; (b): 13:00; (c): 16:00; (d): 19:00Fig.12 Changes of infrared thermogram of the north wall (N1) during a sunny day (a): 10:00; (b): 13:00; (c): 16:00; (d): 19:00

材料对温度机械应变的差异往往是造成内应力、 导致文物损害的重要原因。 这种应变差异可能出现在不同材质之间, 也可能由均一材质中不同步的热量变化引发, 但都与“文物-环境”体系的传热过程有关。 外环境与建筑壁画之间的热量交换具有复杂性, 而就本例的红外监测结果来看, 以空气为媒介的导热和对流换热发挥了主要作用。 由于热流输入相对均匀, 最普遍的檐墙导热可简化为多层平板的一维非稳态导热问题, 此时垂直画面方向上各点各时刻的温度均不相同, 因此沿该方向各层内部以及相邻层之间会产生机械应变差异, 造成层间应力甚至层间分离。 这在玻璃钢背衬层表现得尤为明显, 如木骨局部劈裂脱粘、 相邻间口因约束力不同而发生前后错位等。

在平行于画面方向上, 壁画结构的不均匀也造成了檐墙导热的不同步和温度分布差异, 从而导致机械应变差异。 其中最主要的不均匀结构即为背衬后的横向木骨, 木骨的存在使该处壁画本体成为可扩展的高温区, 并在此区域边缘诱生局部应力。 此外, 在从上到下逐段加固施工时, 环氧树脂因固化缓慢而向下流淌, 形成上下若干个厚度梯度区域, 从而影响到传热过程, 图12中木骨之间的横向层次痕迹似乎表现了这一点。 由此可见, 间口内部因结构不均匀造成的应力和强度差异多是沿水平方向层状分布的, 故多发育为相似产状的横向裂隙。

檐柱部位具有与间口内部不同的传热影响模式, 此处受外环境的影响更加深入直接。 从结构特征来看, 檐墙外壁柱根处通风口、 柱周包裹的疏松芦苇、 红砖墙的宽大砌缝组成了一条空气通道, 经太阳辐射加热的外界空气可经由此通道直达玻璃钢背衬层, 从而对檐柱处壁画本体造成持续剧烈影响, 而义县地区的大风天气则促进了对流换热过程。 更大的温差作用以及缺少木骨补强成为檐柱处纵向裂隙严重发育的直接原因。