大雁塔塔檐材料及病害分析报告

大雁塔属于世界文化遗产，又是西安地标性建筑，在塔檐维护过程中，本着全面提取信息建全基础资料的文物保护要求，我们对大雁塔的原始材料（砖体、灰浆）和各类病害进行了采样和分析检测工作，以期为大雁塔相关研究及其后期病害综合治理起到借鉴与支撑作用。

本次采样和分析检测工作，包括：

1）表面样品——表面红色涂层分析、表面盐害分析、表面生物病害分析及其表面污染物分析；

2）砌筑材料分析——砖体、灰浆分析（组成成分、配比及其砖体水理学性质分析）；

3）木材（木角梁、纴木）材质分析。

具体工作归纳如下：

1号样品——大雁塔六、七层塔壁残留涂层颜料分析

①采样位置照片

图3-7　采样位置

②显微剖面照片

图3-8　七层南檐红色涂层（100X）

图3-9　七层南檐红色涂层（200X）

③红色涂层扫描电镜分析照片

表1　扫描电镜能谱结果表

图3-10　扫描电镜电子图像

图3-11　扫描电镜能谱谱图

④分析结论

根据分析图谱显示：砖体表面存在红色涂妆层，厚度约为0.5mm；经过扫描电镜能谱分析结果显示呈色元素为铁，证明红色涂状层应为铁红（Fe2O3），大雁塔该部位历史上曾经用铁红颜料进行过涂装。

2号样品——大雁塔塔檐微生物分析

①采样位置照片

图3-12　采样位置

②超景深三维显微镜

图3-13　超景深三维显微照片

③分析结论

在大雁塔塔檐承雨尤其是勾水部位普遍存在微生物侵蚀类病害，经生物镜检显示，大雁塔塔檐微生物病害以苔藓类为主，其分布多呈条带状聚集在回檐勾水部位，呈厚状堆积。

3号样品——二层南檐上三匹砖层处老砂灰残留分析

①采样位置照片

图3-14　采样位置

②超景深三维显微镜

图3-15　剖面1

图3-16　剖面2

图3-17　剖面3

该样品为二层南檐上三匹老砂灰，对其用超景深三维显微镜进行表面形貌观察，从图3-15的显微照片中可以看出，样品的一面石灰层中有颗粒SiO2，并有少量孔洞；从图3-16的显微照片中可以看出，样品的一面未见颗粒Si02，有少量孔洞和裂隙；从图3-17的显微照片中可以看出，样品的一面未见颗粒Si02，石灰层杂质较少，相对致密、纯净。

③显微照片

图3-18　大雁塔③二层南檐上三匹老砂灰（50X）

图3-19　大雁塔③二层南檐上三匹老砂灰（100X）

④X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-20　样品X射线衍射图谱

⑤分析结论

分析结果显示，上檐残留老砂灰层其组成主要为石英、方解石（碳酸钙），由此推论，上檐残留老砂灰层由淋灰加粗粒砂调配而成，砂灰比约为5∶1（质量比）。

4号样品——二檐南上四匹老灰分析

①采样位置照片

图3-21　采样位置

②X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-22　样品X射线衍射图谱

③分析结论

经采样分析，该样品的主要成分为碳酸钙（＞90％），没有明显的夹砂现象，据此推断，应为纯淋灰填补而成。

5号样品——二檐南下二匹内层土（唐代包砌层填缝土）

①采样位置照片

图3-23　采样位置

②X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-24　样品X射线衍射图谱

③分析结论

分析结果显示，唐代包砌层填缝土中主要组成成分与当地黄土的组成成分含量近似，含有大量黏土类矿物，并没有明显的检出砂砾与白灰颗粒添加现象，由此推断，该填缝土应为当地素土调水混合而成。

6号样品——二檐南上三匹砖夹层灰

①采样位置及样品筛选照片

图3-25　采样位置

图3-26　样品筛选照片

该样品为二檐南上三匹砖夹层灰，用研钵将其研碎，原始称重为33.68g，然后用160目～100目的罗筛对研碎的夹层灰进行筛选，筛选出来的细颗粒重量为6.84g。

②160目以下颗粒X衍射分析

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-27　样品X射线衍射图谱

③分析结论

由筛选结果可知，样品中含有大量的粗粒砂，砂灰比约为4∶1（质量比）；160目以下颗粒经X衍射分析显示，其主要成分为方解石（碳酸钙含量＞50％），结合两项分析结果推断，该夹层灰应为淋灰添加粗砂粒调配而成。

7号样品——二檐南上二匹砖座砖土

①采样位置照片

图3-28　采样位置

②样品筛选称重

该样品为二檐南上二匹砖座砖土，用研钵将其研碎，原始称重为29.85g，然后用160目～100目的罗筛对研碎的夹层灰进行筛选，筛选出来的细颗粒重量为8.25g。

③X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-29　样品X射线衍射图谱

图3-30　样品筛选照片

④分析结论

分析结果显示，二檐南上二匹砖座砖土中主要组成成分与当地黄土的组成成分含量近似，含有大量黏土类矿物，检出少量细砂砾与白灰颗粒添加现象，由此推断，该填缝土应为当地素土调和少量细砂和少许白灰而成（砂土比约为2∶5）。

8号样品——二檐南上三匹砖砖缝灰

①采样位置照片

图3-31　采样位置

图3-32　样品筛选照片

②样品筛选称重

该样品为二檐南上三匹砖砖缝灰，用研钵将其研碎，原始称重为36.97g，然后用160目～100目的罗筛对研碎的夹层灰进行筛选，筛选出来的细颗粒重量为3.30g。

③X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-33　样品X射线衍射图谱

④分析结论

由筛选结果可知，样品中含有大量的粗粒砂，砂灰比约为11∶1（质量比）；160目以下颗粒经X衍射分析显示，其主要成分为方解石（碳酸钙含量接近40％），结合两项分析结果推断，该夹层灰应为淋灰添加大量粗砂粒调配而成。

9号样品——二檐南上三匹素土

①采样位置照片

图3-34　采样位置

②X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-35　样品X射线衍射图谱

③分析结论

分析结果显示，二檐南上三匹素土中主要组成成分与当地黄土的组成成分含量近似，含有大量黏土类矿物，并没有明显的检出砂砾与白灰颗粒添加现象，由此推断，该填缝土应为当地素土调水混合而成。

10号样品——二檐南上四匹砖夹缝灰

①采样位置照片

图3-36　采样位置

②样品筛选称重

该样品为二檐南上四匹砖夹缝灰，用研钵将其研碎，原始称重为33.45g，然后用160目～100目的罗筛对研碎的夹层灰进行筛选，筛选出来的细颗粒重量为7.25g。

③X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-37　样品X射线衍射图谱

图3-38　样品筛选照片

④分析结论

由筛选结果可知，样品中含有大量的粗粒砂，砂灰比约为4∶1（质量比）；160目以下颗粒经X衍射分析显示，其主要成分为方解石（碳酸钙含量＞50％），结合两项分析结果推断，该夹层灰应为淋灰添加粗砂粒调配而成。

11号样品——砖体表面积尘

①采样位置照片

图3-39　采样位置

②X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-40　样品X射线衍射图谱

③分析结论

分析结果显示，砖体表面积尘中主要组成成分与当地黄土的组成成分含量近似，含有少量炭黑及纤维类非晶相物质。

12号样品——唐代包砌层砖体检测分析

①采样位置照片

图3-41　采样位置

②超景深三维显微镜

图3-42　超景深三维显微照片

该样品为唐代包砌层砖体，对其用超景深三维显微镜进行表面形貌观察，从图3-42左的显微照片中可以看出，样品为灰砖，剖面孔洞较多；从图3-42右的显微照片中可以看出，样品为灰砖，剖面孔洞和裂隙较多，不致密。

③X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-43　样品X射线衍射图谱

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-44　砖粉X射线衍射图谱

④热分析

a.制样

图3-45　烧制前

图3-46　烧制后

图3-47　样品高度

b.实验条件

坩埚：氧化铝材质

气氛：静态空气

样品放置方式：试样放在氧化铝大坩埚内，试样上再放一个陶瓷盖，TMA探头落在陶瓷盖上。

图3-48　实验条件(www.chuimin.cn)

c.热分析实验曲线解析

图3-49　样品热分析实验曲线解析

⑤岩矿鉴定

13号样品镜下特征：

粉砂泥质结构

样品由粉砂碎屑、黏土矿物和碳酸盐三部分组成，三者含量分别为30％～40％、50％～60％和10％～20％。

粉砂主要由长石和石英组成，少量云母，粒径0.01～0.15mm，多呈棱角状，少量鳞片状，以粉砂级（＜0.06mm）为主，少量细砂级。

黏土矿物主要是水云母（伊利石），未见明显光性异常和定向分布，反而有暗化现象，可见少量泥屑结构或泥团结构。

碳酸盐主要是方解石，主要呈微晶集合体团块出现少量呈分散状分布，团块大小不一，形状各异，最大可达4mm，常见环状构造，团块内可见粉砂、黏土矿物及铁质等混入物。

空洞含量占5％～10％，粒径0.1～4mm，多在1mm以下，形状各异，无定向性分布，洞内少见填充物。

样品镜下呈褐色，尚均匀，偶见黏土残块周围有揉制痕迹。

图3-50　样品正交偏光照片

图3-51　样品单偏光照片

⑥砖样基本物理性质测试

将原始的砖样表面清理干净后，用灌砂法分别测量其体积，风干及烘干状态下各样品的质量，试验结果见表2。切割制样后分别又测试一次烘干体积与质量、饱水体积与质量，试验结果见表3。

表2　砖样（原始）物理性质表

表3　砖样（切割后）物理性质表

⑦砖样波速测试

采用超声波法分别对饱和及烘干状态下的2个立方体砖样进行波速测试，从上下、前后、左右三个面共测试三次，将试验结果统计如下表4及表5所示。

表4　饱和状态下砖样检测波速表

表5　烘干状态下砖样检测波速表

⑧砖样抗压强度测试

试样所用仪器为YES-300型300KN液压材料试验机，见图3-52，分别测试各砖样在饱和及烘干状态下的单轴抗压强度，试验结果如表6所示。

图3-52　300KN液压材料试验机

表6　烘干状态下砖样检测波速表

⑨分析结论

唐代包砌层砖体主要由粉砂碎屑、黏土矿物和碳酸盐三部分组成，组成成分和密度与民国砖体相近，但其抗压残留强度高于民国砖体，其烧制温度也略高于民国砖体。

13号样品——民国砖体检测分析

①采样位置照片

图3-53　采样位置

②超景深三维显微镜

图3-54　超景深三维显微照片

该样品是民国砖体，对其用超景深三维显微镜进行表面形貌观察，从图3-54的显微照片中可以看出，样品为灰砖，剖面孔洞较多，较粗糙。

③X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-55　样品X射线衍射图谱

④热分析

a.制样

图3-56　烧制前

图3-57　烧制后

图3-58　样品高度

b.实验条件

坩埚：氧化铝材质

气氛：静态空气

样品放置方式：试样放在氧化铝大坩埚内，试样上再放一个陶瓷盖，TMA探头落在陶瓷盖上。

图3-59　实验条件

c.热分析实验曲线解析

图3-60　热分析实验曲线

⑤岩矿鉴定

14号样品镜下特征：

粉砂泥质结构

样品由粉砂碎屑、黏土矿物和碳酸盐组成，三者含量分别为30％～40％、55％～65％和15％～10％。

粉砂主要由长石和石英组成，少量云母和碳酸盐矿物。粒径0.01～0.3mm。碎屑多呈棱角状、鳞片状，绝大数为粉砂级，少量细砂级，碎屑分布不具定向性。

黏土矿物主要是水云母或伊利石，多呈显微鳞片状无序分布。局部出现泥屑结构，颜色加重。

碳酸盐呈碎屑状和结核状两种形式分布，个别的发生重结晶呈粒状或菱面体，可能方解石和白云石都有。碎屑状碳酸盐是风成黏土特征。

空洞含量5％～10％，形状各异，其中少量长条状呈雁列或旋转分布，粒径0.1～3mm。

样品颜色不均匀，黄褐色、红褐色团块分布，局部氧化加重呈半透明至不透明。

图3-61　样品正交偏光照片

图3-62　样品单偏光照片

⑥砖样基本物理性质测试

将原始的砖样表面清理干净后，用灌砂法分别测量其体积，风干及烘干状态下各样品的质量，试验结果见表7。切割制样后分别又测试一次烘干体积与质量、饱水体积与质量，试验结果见表8。

表7　砖样（原始）物理性质表

表8　砖样（切割后）物理性质表

⑦砖样波速测试

采用超声波法分别对饱和及烘干状态下的2个立方体砖样进行波速测试，从上下、前后、左右三个面共测试三次，将试验结果统计如下表9及表10所示。

表9　饱和状态下砖样检测波速表

表10　烘干状态下砖样检测波速表

⑧砖样抗压强度测试

试样所用仪器为YES-300型300KN液压材料试验机，见图3-63，分别测试各砖样在饱和及烘干状态下的单轴抗压强度，试验结果如表11所示。

图3-63　300KN液压材料试验机

表11　砖样单轴抗压强度记录表

⑨分析结论

民国砖体主要由粉砂碎屑、黏土矿物和碳酸盐三部分组成，组成成分和密度与唐代包砌层砖体相近，但其抗压残留强度低于唐代包砌砖体，其烧制温度也略低于唐代包砌砖体。

15号样品——现代砖体1〔12.5cm（宽）×6.2cm（厚）〕

①采样位置照片

图3-64　采样位置

②超景深三维显微镜

图3-65　超景深三维显微照片

该样品为现代砖体1〔12.5cm（宽）×6.2cm（厚）〕，对其用超景深三维显微镜进行表面形貌观察，从图3-65的显微照片中可以看出，样品为灰砖，剖面孔洞、裂隙较多，较粗糙。

③X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-66　样品X射线衍射图谱

④岩矿鉴定

15号样品镜下特征：

粉黏泥质结构

样品由粉砂碎屑、黏土矿物组成，两者含量分别为30％～40％和60％～70％，另含碳酸盐3％～5％。

粉砂碎屑主要由石英和长石组成，很少量云母，多呈棱角状，少量鳞片状。粒径0.01～0.4mm。绝大多属于粉砂级（＜0.06mm），少量属中—细砂级。

黏土矿物主要是水云母（伊利石），未见明显定向和光性异常（比正常黏土矿光性明显）而是暗化现象，可见泥团或泥屑结构，即粉砂碎屑很少或没有、暗化现象更明显，黏土矿物集合体。

空洞占5％～8％，粒径2～0.05mm，个别拉长者长轴达3mm，分布不均匀，洞内少量不透明物。

碳酸盐很少，呈分散分布的小斑点（＜0.05mm）集合体分布。

样品镜色呈褐色，但残留无色的团块，很可能是原始黏土残留。

图3-67　样品正交偏光照片

图3-68　样品单偏光照片

16号样品——现代砖体2（15.5cm×4.9cm）

①采样位置照片

图3-69　采样位置

②超景深三维显微镜

图3-70　超景深三维显微照片

该样品为现代砖体2（15.5cm×4.9cm），对其用超景深三维显微镜进行表面形貌观察，从图3-70的显微照片中可以看出，样品为灰砖，剖面孔洞多。

③X射线衍射

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

图3-71　样品X射线衍射图谱

④岩矿鉴定

16号样品镜下特征：

粉砂泥质结构

样品由粉砂碎屑、黏土矿物和碳酸盐三部分组成，三者含量分别占30％～40％、50％～60％、10％～20％。

粉砂主要由石英和长石组成，少量云母，前两者多呈棱角状，后者呈鳞片状。粒径0.01～0.1mm，绝大多数小于或等于0.06mm，属于粉砂级，只有少量为细砂级（0.1～0.06mm）。粉砂碎屑无序分布，不具方向性。

黏土矿物主要为水云母，也称伊利石，肯定还有其他少量黏土矿物，但有显微镜方法识别不出来，需要用其他方法鉴定，在黏土矿物中见不到定向排列。

碳酸盐主要由方解石（CaCO3）组成，也被称钙质或灰质，主要呈微晶团块形式出现，也被地质上称钙质结核，它们也是自然界中黏土组成之一，其形态各异，多呈近球形，有时有环带构造，样品中不规则形状常见，肯定也有分散状态者。

空洞约占5％左右，最大者达5mm以上（长轴），形状极不规则，洞内有时见少量不透明物（炭质？）。

样品镜下呈褐色，有时见稍浅颜色团块残留。

图3-72　样品正交偏光照片

图3-73　样品单偏光照片

⑤分析结论

现代砖体2其组成成分与唐代和民国砖体成分差异较大，碳酸盐含量明显降低，主要由粉砂碎屑、黏土矿物两种物质组成，含量分别为30％～40％、50％～60％，另仅含碳酸盐6％。17号样品——可溶盐1检测分析

①采样位置照片

图3-74　采样位置照片

②可溶盐X射线衍射分析

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

③分析结论

塔檐可溶盐活动区域检测结果显示，含有大量钠硝石及少量硫酸钙类结晶物，其中的钠离子、钙离子等阳离子及其硝酸根、硫酸根等阴离子均会造成严重的可溶盐循环结晶破坏。

18号样品——可溶盐2检测分析

①采样位置照片

图3-75　采样位置照片

②可溶盐X射线衍射分析

仪器型号：D/max-2500　　实验条件：电压40kV电流200mA靶：Cu石墨单色器滤波

环境条件：室温24℃湿度48％

物相分析方法：JCPDS　定量分析方法：基本强度对比法　基本公式：X=Ix/I样品

③分析结论

塔檐可溶盐活动区域检测结果显示，含有大量钠硝石及少量硫酸钙类结晶物，其中的钠离子、钙离子等阳离子及其硝酸根、硫酸根等阴离子均会造成严重的可溶盐循环结晶破坏。

19号样品——纴木材质分析

①采样位置及样品照片

图3-76　采样位置照片

图3-77　2号纴木照片

图3-78　6号纴木照片

②采样鉴定

图3-79　木材鉴定报告

③分析结论

2号纴木为杨木，6号纴木为榆木，其中榆木材质较为坚硬，而杨木材质较为疏松。由此可见，说明既往维修过程中，纴木制作过程中由于财力及认知所限选取的树种不统一。

20号样品——木角梁材质分析

①采样位置及样品照片

图3-80　采样位置照片

图3-81　4号木角梁

图3-82　2号木角梁

图3-83　1号木角梁

②木材鉴定

图3-84　木材鉴定报告

③分析结论

1号木角梁为云杉，2号木角梁为云杉，4号木角梁为柏木，结合以上分析，木角梁均选用材质较为坚韧的云杉或柏木制作。