黄继忠,章云梦, ,张 悦,赵 朋
(1.上海大学文化遗产保护基础科学研究院,上海 200444;2.上海大学力学与工程科学学院,上海 200444;3.山西省古建筑工程监理有限公司,山西 太原 030012)
山西大学堂坐落在著名的历史文化名城山西太原,是我国最早的三所大学之一,现为太原市师苑中学校舍.该建筑于1996年和2013年分别被列为省级重点文物保护单位和第七批全国重点文物保护单位,具有很高的历史、科学和艺术价值.
一个多世纪以来,环境和人为因素的综合作用使山西大学堂出现了不同类型与程度的劣化.历史上虽多次开展修缮工作,但由于对原始材料及建造工艺等了解的局限性,修缮后的建筑又面临新的问题.以围墙为例,其原始结构由灰砖砌筑、石灰勾缝而成,但在近代修缮时人为地在砌体外表面涂抹了一层水泥砂浆抹面,并雕刻形成仿砖图案,围墙局部还镶嵌有装饰性石膏板.然而,由于水泥砂浆与灰砖材料性质的巨大差异,抹面层逐渐出现开裂和空鼓现象,更甚者发展为片状剥落,并进一步导致内部砖体的破碎和粉化(见图1).空鼓病害通常是指某区域存在明显鼓起并伴有由剪应力释放导致的裂隙[1],具有潜在危害大、肉眼难以识别等特点.因此,针对山西大学堂围墙开展相应的表面空鼓病害探查与评估是修复其外观、延续其寿命、传承其价值的重要前提.
图1 山西大学堂围墙结构及病害Fig.1 Structure and diseases of wall in Shanxi Academy
关于文物空鼓病害检测,国内外学者已开展了大量研究.手指轻敲是方便、有效的方法之一,即可根据敲击音色大致判断空鼓的存在范围[2],进而评价灌浆等修复措施的实际效果[3-4].为避免人耳听声的主观性,部分学者自主研发检测设备,通过对敲击过程进行建模并采集、分析相应的声信号特征参数,在室内实现了建筑墙体和饰面空鼓的自动与定量检测[5-6].此外,超声波技术也可有效实现文物空鼓无损检测.孙兵等[7]采用非金属声波检测仪以100 mm为移动步距进行声波探测,发现壁画地仗层的空腔区与紧密粘贴区的波速差别较大,并根据二者的波速界限值推断出空腔区域分布规律.左螭[8]利用空气耦合超声断层成像系统对模拟壁画地仗层试样开展二维和三维成像,该仪器识别出地仗浅表层0.2 cm范围内的空鼓,精度可达0.000 1 cm.近年来,红外热成像技术由于能实时测量物体表面温度,并通过温度差异直接反映材料的相关物理特性,因此也逐渐被用于空鼓病害检测[9].张艳杰等[10]证实壁画温度场的变化能有效表明其空鼓位置,还可实时反映入浆液的流动状况,从而提高空鼓灌浆加固的科学性.针对西班牙一所神学院的历史建筑,Lerma等[11]通过对比墙面的真实照片和红外热成像图,清晰准确地揭示出由建造工艺、环境等因素导致的不同缺陷类型.Meola等[12]综合采用超声波和红外热成像技术对人为预置了气泡空鼓的装饰性砖墙模型开展测试,发现超声波检测可精细反映表层石膏板和内部砖体的厚度,红外热成像则能在大范围内快速实现对缺陷位置及尺寸的检测.部分学者围绕探地雷达[13]、高密度电法[14]等无损检测技术在文物空鼓病害探查中的应用也开展了相关研究,并取得一定成果.
在检测文物空鼓病害时,研究者通常只采用某种单一技术手段,因此在获取空鼓分布范围方面存在一定的局限性.基于此,本工作以山西大学堂为例,在采用手动敲击方法对围墙空鼓部位进行初步判别的基础上,综合采用相控阵超声成像以及红外热成像两种无损检测技术对局部病害开展精细探查.通过对比所得结果,重点讨论超声成像和红外热成像两种检测技术各自的特点及可能对检测结果造成影响的主要因素,最后以面积作为指标对空鼓病害的严重程度进行定量化评价,以期为后续的保护修缮工作提供可靠依据和科学支撑.
1.1 相控阵超声成像
超声波法主要通过测量声波在固体材料内部传播时到达接收器探头的超声波时间和振幅等,来确定超声波的衰减、速度、频率等声学参数,借以表征材料的力学性能和微结构变化,从而实现对材料损伤及其进展的无损评价[15].传统检测设备通常是基于透射法,即在待测物体两侧分别由不同探头发射超声波并接收发射回波信号.戴仕炳等[16]对山西南部等地古建筑烧结黏土砖开展声波检测,检测过程简单快速,但只能将所得的波速值作为砖体劣化程度的唯一评价指标,无法获取内部的缺陷形状和深度等信息.马涛等[17]也利用该方法对乾陵石刻不同断面的波速进行测量,并结合发射波法反演得到波速分布的二维图像,进而推测石刻内部的裂隙情况.然而,若文物体量更大、形制更复杂时,传统设备则存在波信号的可达性差、检测工作量繁重、操作空间受限等一系列问题.
相控阵超声成像技术以惠更斯原理为基础,是一种通过声波相互干涉实现主动检测的方式.具体而言,相控阵超声换能器(又称发射探头)可向待测物体发射超声波,并接收反射回波信号.通过控制相控阵超声换能器中各个阵元激励或接收脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射或接收声波到达待测物体内部某点的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,从而完成相控波束合成.
本工作采用的是混凝土超声波成像仪pundit 250,其发射探头由24个干接触式剪切波换能器组成,每竖向3个为1组,每列共形成8个通道(见图2).超声波探头工作面长度240 mm、宽度90 mm,2个换能器之间的竖向和横向距离分别为30和24 mm.进行单次扫描时,根据超声波脉冲回波原理,仪器探头的每个通道轮流发送超声波信号,其他7个通道接收回波(见图3(a)).当测量区域较大时,移动探头进行多次、连续扫描,所得的多张图像可利用合成孔径聚焦技术(synthetic aperture focusing technique,SAFT)自动拼接,最终实时呈现清晰结果[18-19](见图3(b)).
图2 相控阵超声成像仪(pundit 250)Fig.2 Phased array ultrasonic imager(pundit 250)
图3 相控阵超声成像技术原理Fig.3 Principle of phased array ultrasonic imaging technology
与传统超声波换能器相比,本工作所用的仪器探头由多个晶片组成且能同时聚焦,聚焦区能量远大于普通单晶聚焦探头,因此可实现大面积区域的多角度、多方向勘察,检测灵敏度和分辨率也更高.此外,干接触式换能器的优势在于检测过程中无需使用耦合剂(如凡士林等),从而可有效避免对文物表面造成污染[20].换能器顶端由陶瓷防磨帽保护,内部设有弹簧支座,所构成的柔性阵列可以有效适应粗糙的物体表面,在保证探头与待测物体接触良好的前提下,降低测试时轻微施压对物体表面可能造成的影响.
1.2 红外热成像
在自然界中,任何温度高于绝对零度的物体都可自发向外辐射红外线,即产生红外辐射能.基于此原理,红外热成像技术通过探查物体产生的不同波段红外辐射,将其转换成电信号形成反映表面温度场分布的伪彩热图[21].
当被测物体内部存在裂缝、空鼓等缺陷时,由于空气导热系数与周边固体材料相比较小,热流在该区域局部受阻,热量分布不均,此时使用红外热成像仪捕捉物体表面状况,会在红外热像图中形成相应的冷区、热区.通过分析冷区和热区的位置和大小,可直观、准确、迅速地实现缺陷定量化描述.此外,红外热成像检测技术不仅适用于大面积检测,而且只要被测物体温度高于绝对零度,即可实现全天正常检测.作为一种非接触式无损检测技术,红外热成像技术避免了对被测物体造成损害和扰动,非常符合文物保护要求的最小干预原则.本次检测采用红外热成像仪testo 890,成像像素为130万,温度检测量程为-50～1 200°C.
1.3 现场检测方案
山西大学堂目前残存围墙总长约70 m,东西走向,整体由方形立柱等间距分割形成14段墙体,依次编号为B1～B14.每段墙体上方为圆形装饰柱,本次检测主要针对下方两根横梁之间的水泥砂浆抹面部分,该检测区域的长度和宽度分别为4.50和0.85 m,包括南、北两个立面(见图4(a)).
现场工作在夏季晴天开展,室外气温30°C.首先,通过现场观察外加手动敲击的方法对所有检测区域的空鼓病害分布情况进行初步判别.若手指轻敲水泥砂浆抹面发出的响声低且沉闷,则认为其与内部灰砖粘结牢固;反之,若为清脆声响或有叩击回声,表明二者之间可能存在松动或局部脱离.随后,针对存在空鼓的区域开展局部的精细探查.如图4(b)所示,采用混凝土超声波成像仪沿选定的2条水平测线和3条竖直测线分别由西向东、由上至下进行多次、连续扫描,步长为180 mm,两次扫描的重叠区域长30 mm.检测过程中的仪器参数设定波速2 000 m/s、增益58 dB,通过轻压方式使探头与墙体紧密接触,提高信号入射率的同时尽量避免对文物本体造成损伤.为避免早上和下午太阳直射角不同的影响,本次红外热成像拍摄时间为15:00—18:00.每个检测区域分东、西两部分拍摄,拍摄时避免摄入立柱和地面等无关区域,以保证成像效果和测量精度.
图4 现场检测方案Fig.4 Scheme of field test
现场观察和手动敲击结果初步表明,山西大学堂围墙的水泥砂浆抹面普遍产生了一定程度的空鼓病害.大部分空鼓都集中在装饰性石膏板四周,当病害程度较轻时,墙体边缘靠近立柱的水泥砂浆抹面与内部灰砖的粘结依旧紧密,外观也尚且保持完好(见图5(a));随着病害程度逐渐加重,水泥砂浆抹面整体发生起翘甚至大面积脱落,导致内部灰砖直接暴露在外,加剧其粉化、开裂和剥离等破坏(见图5(b)).
图5 不同空鼓病害程度的墙体Fig.5 Walls with different degrees of detachment disease
2.1 相控阵超声成像
图6为B2墙体南立面相控阵超声成像检测结果,图中横坐标为扫描距离,即在检测过程中探头沿测线方向的实际移动距离;纵坐标为深度,即墙体表面到内部的垂直距离.图中各点颜色亮度由回波幅度线性控制,红色区域一般代表波速异常点,通常对应缺陷位置.需要强调的是,沿纵坐标自上而下的一串红色异常点表示在各个深度缺陷界面上的回波.据此判断,图中首次出现的红色异常点是由于超声波在水泥砂浆抹面与空气接触界面产生反射回波所致.
图6 B2墙体南立面相控阵超声成像结果Fig.6 Phased array ultrasonic imaging results of the south facade of B2 wall
检测结果表明,B2墙体在竖直方向上的缺陷主要集中在S2与S3测线中段0.4 m左右范围内,但前者的异常界面反射深度普遍小于0.05 m,后者则大于0.10 m(见图6(b)、(c)).在水平方向上,相比H1测线,H2测线上0.5～2.0 m和2.5～4.0 m范围内的缺陷分布更为密集,且深度较浅,基本在0.05 m以内(见图6(d)、(e)).
图7为B9墙体北立面相控阵超声成像检测结果.可以看出,S1测线缺陷主要分布在上段和中段,且分布深度在0.05 m以内.H1测线上的缺陷分布较H2更为密集,整个测线区域都存在缺陷,且深度也基本在0.05 m以内.
图7 B9墙体北立面相控阵超声成像结果Fig.7 Phased array ultrasonic imaging results of the north facade of B9 wall
2.2 红外热成像
从B2墙体南立面红外热成像结果可以看出,墙体整体温度分布范围为29.5～36.7°C(见图8(a)).检测区域的左下方位置温度偏高,装饰性石膏板下边缘与水泥砂浆抹面交界处的高温尤为明显.图8(b)为测线温度分布,反映的是测线方向上每隔0.017 m各点实际温度变化.很明显,墙体左侧S2测线的温度普遍高出右侧S3测线0.5～2.4°C,下方H2测线温度普遍高出上方H1测线0.8～2.1°C.此外,水平测线温度分布呈现由左向右逐渐降低的趋势,但H1测线变化相对平稳,H2测线下降幅度更大,两端温差可达1°C以上.竖直测线温度由上至下逐渐升高,S2测线前半段温度增速明显快于S3测线,且后半段温度波动更为剧烈.
图8 B2墙体南立面红外热成像结果Fig.8 Infrared thermal imaging results of the south facade of B2 wall
B9墙体北立面红外热成像结果显示,所拍摄区域整体温度分布在31.0～37.9°C,检测区域高温主要集中在装饰性石膏板的四周且呈椭圆形分布(见图9(a)).沿S1测线,温度由上至下呈现先升高后降低的趋势,中段最高温度可达34.6°C.H1和H2测线上的温度变化规律相似,在前0.70 m范围内逐渐升高并达到最高值,在后1.5 m范围内大致稳定,存在小幅波动.
图9 B9墙体北立面红外热成像结果Fig.9 Infrared thermal imaging results of the north facade of B9 wall
3.1 缺陷类型
针对B2墙体南立面,相控阵超声成像结果表明S2和S3测线中段结构内部均存在缺陷(见图6(b)、(c)),然而红外热成像结果显示,与S2测线相比,S3测线相同位置的升温现象并不明显(见图8).此外,通过现场观察发现,墙体表面水泥砂浆抹面实际厚度通常小于0.05 m,一般在0.02～0.03 m(见图10).
图10 墙体表面的水泥砂浆抹面Fig.10 Cement mortar plaster on the wall surface
已有研究表明,超声技术可探测的缺陷深度范围为0.2～1.5 m[22],而红外热成像技术揭示的缺陷深度通常为毫米或厘米级[23].据此可以合理推断,S3测线上红外热成像所得的高温异常数据与墙体浅层缺陷密切相关,即水泥砂浆抹面发生空鼓病害,从而导致空气的隔热效应.相比之下,S3测线上的缺陷深度在0.1 m以上,基本处在灰砖砌体结构内部,对热流传递阻力作用较小,因此墙体表面的温度聚集效应并不明显.需要强调的是,以目前的检测技术尚不能准确揭示S3测线上深部缺陷的具体类型和成因,需要进一步分析研究.
3.2 环境因素
综合对比相同检测区域的相控阵超声成像与红外热成像结果可以发现,两种无损检测技术所得结果基本一致,但存在局部误差.
以B2墙体南立面为例,相控阵超声成像结果表明其空鼓主要集中在S2和H2测线中段,其他部位水泥砂浆抹面与内部灰砖粘结完好(见图6),然而在红外热成像仪测得的温度分布图中,左下角区域即S2测线下半段温度也偏高(见图8).本次红外检测时间均在下午,因此墙体接受日照时间较长,尤其是检测区域的下半部分特别是底部横梁等突出位置的温度已高达36°C以上,说明强烈的阳光直射也可能造成检测区下部水泥砂浆抹面产生局部高温现象.其他学者也分析过日照情况对红外热成像效果的影响.黄新等[24]在夏季晴天的10点和14点分别针对同一墙体开展红外拍摄,并在14点观察到了在早上10点未能检测到的缺陷,认为这与下午墙体辐射的能量更高有关.袁昕等[25]认为由于早上11点的日照强度比10点更强,因此饰面砖墙在单位时间内接收到的热量更多,从而使缺陷在红外热成像图中呈现得更为清晰,也更容易辨识.
此外,已有研究者还指出,水分是影响红外检测效果的重要因素之一.由于水的热容量以及热传导性能显著大于岩石、泥土等材料,当存在热源时,干燥物体温度上升幅度显著大于潮湿物体[26-27].此外,即使在无热源的条件下,由于水蒸发的降温效应,含水物质也较干燥物质温度更低[28].Avdelidis等[29]利用红外热成像技术针对不同含水率岩石进行测试,结果显示岩石吸水率与温度呈负相关,即试样含水率越大,表面温度越低.Edis等[30]在使用红外热成像法检测含水量的变化时,指出通常有3个因素会导致含水界面温度较其他界面低,即潮湿区域的蒸发冷却、热阻降低以及潮湿材料的储热能力增加.据此判断,由于水泥砂浆抹在部分部位含有一定的水分,故其表面温度较其他干燥部位更低,从而导致红外热成像数据与相控阵超声成像数据存在一定误差.因此,针对容易受到地下水、降雨等的外来水分影响的研究对象,在采用红外热成像技术进行空鼓检测时应探明水分分布,综合分析才能对病害情况作出合理的判断和评估.
3.3 空鼓病害评估
综合对比分析相控阵超声成像和红外热成像两种无损检测技术所得结果,排除深部缺陷和环境因素的可能影响后,得到所有墙体南、北立面水泥砂浆抹面存在空鼓的范围.针对空鼓病害,已有研究通常只统计实际分布面积[3,7],而本工作则以检测区域内的空鼓面积与总面积之比为评价指标,并将其严重程度大致划分为4个等级:轻微(0～40%)、中度(41%～70%)、较严重(71%～90%)、非常严重(91%～100%).如表1所示,山西大学堂围墙的空鼓病害总体而言比较严重,几乎所有水泥砂浆抹面都已经与内部灰砖产生分离甚至脱落,且北立面空鼓病害比南立面更为严重.
表1 山西大学堂围墙空鼓病害评估Table 1 Evaluation of detachment disease of Shanxi academy wall
针对山西大学堂围墙表面水泥砂浆抹面的空鼓病害,在采用手动敲击对空鼓范围进行初步判别的基础上,综合应用相控阵超声成像以及红外热成像两种无损检测技术开展精细探查,主要得到以下结论.
(1)手动敲击属于经验方法,只能大致判断墙面是否空鼓,无法定量描述;相控阵超声成像及红外热成像技术可以相对准确地检测出空鼓分布范围和面积.
(2)无损检测技术所得结果基本一致,局部误差与实际测量过程中的其他影响因素有关,如缺陷类型、环境因素(日照、水分)等,需要对比分析判断.
(3)以空鼓面积与总检测面积之比作为评价指标,将山西大学堂围墙表面水泥砂浆抹面的空鼓病害分为4个等级,评估结果表明其病害状况总体较为严重.
古建筑的病害类型复杂多样,在实际保护过程中,需要在考虑文物保存现状的基础上选择合适的无损、非接触式技术开展检测.通过综合应用和对比不同技术,才能有效开展病害的定量探查与评估,并为最终的治理和修复提供科学依据.
致谢:本工作得到贺大龙研究员的帮助,现场检测工作由董海燕博士和郑伊同学协助完成,在此表示衷心感谢!
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