紫竹城台湾黑水城施釉重烧的研究

紫竹城台湾黑水城施釉重烧的研究

古代农村认识的应用研究团队在北京、河北、山西、山东、浙江、江苏、湖北、广东、福建、辽宁等地调查了国内外的建筑结构。在调查了北京、河南、山东、浙江、江苏、湖北、广东、福建和辽宁的釉面砖结构时，发现了许多疾病，如釉面砖结构破裂、风化、污染、碱化和剥落。琉璃瓦件作为载体,承载着多方面的历史信息。以紫禁城清代建筑琉璃瓦件为例,在琉璃瓦件的内侧可以看到多种类型的款识:如“雍正八年琉璃窑造斋戒宫用”、“乾隆年制”、“乾隆三十年春季造”、“嘉庆十一年官窑敬造”、“嘉庆拾贰年造”、“宣统年官琉璃窑造”等反映烧造年代的款识;“窑户赵士林配色匠许德祥房头许万年烧窑匠李尚才”、“铺户程遇墀配色匠张台房头李成烧色匠朱兴”、“一作造”、“三作张造”、“四作邢造”、“五作陆造”、“工部”等反映产品制造者和烧造管理制度的款识。不仅如此,古代琉璃瓦件坯体还承载着所用原料、烧制温度等工艺方面的信息以及样式、形制尺寸方面的信息。这些信息之所以能够伴随着琉璃瓦件保存至今,其中一个原因是历史上对剥釉琉璃瓦件采取了施釉重烧的处理方法。有文献记载,乾隆四十年(1775)对紫禁城内雨花阁进行修缮时,就曾对4593块剥釉琉璃瓦件进行施釉重烧1。在《乾隆会典则例》2中规定:“用旧琉璃色釉脱落重新掛釉,照前定例价值铅斤,俱七折覆给”,嘉庆年间的《钦定工部续增则例》3也有类似的规定:“用旧琉璃色釉脱落重新掛釉照定例价值铅觔俱七折核给”,可见在清代对剥釉琉璃瓦件进行施釉重烧已经成为一种常规的做法。在近些年的古代琉璃构件保护工作中,山西古建所曾做过施釉重烧的尝试,北京颐和园管理处也做过类似的探索4,故宫博物院则不仅在古建大修中同样采用了施釉重烧的保护方法,并且开展了专项研究,对剥釉机理和施釉重烧问题进行了初步的研究5。由此可见,对剥釉古代琉璃瓦件进行施釉重烧的技术方法得到了人们的普遍认同。但到目前为止,对于琉璃瓦件的剥釉机理、施釉重烧的技术方法还缺乏深入系统的研究。本项研究拟在剥釉机理的研究基础上,有针对性的采用一些技术方法,以期对剥釉古代琉璃瓦件进行合理有效的保护。一剥釉对象问题1.剥釉琉璃瓦件保护工作中的相关理念当人们看到琉璃瓦件背面种种款识的时候,常常会惊奇地发现,这块琉璃瓦是嘉庆三年的!那块琉璃瓦还要早,竟是雍正八年的!这种历史信息的传递,靠的是以物质形式存在的一块块琉璃瓦件,其传递方式和给人们带来的特殊感受是其他方式所不能取代的。当人们步入故宫后,希望看到的是,经历了数百年的建筑,它的一砖一瓦也是由古代的工匠所烧制。在故宫博物院早些年前的古建修缮中,釉面剥落程度超过50%的琉璃瓦件便作为建筑垃圾丢掉了。不难想象,如果依此办理,维修一次就丢掉一批,久而久之,紫禁城的建筑屋面将会被新的琉璃瓦件所覆盖,古老的故宫也将会变得“焕然一新”。为了避免这种现象的发生,长期以来故宫人一直在探索对剥釉琉璃瓦件进行有效保护的技术方法。该项工作反映了故宫人对文物保护的态度和理念,尽管这些琉璃瓦件釉面已经严重剥落,但作为诸多历史信息的物质载体仍十分宝贵。有些文物保护专家提出了更高层面的保护要求。他们认为保护工作应保持琉璃瓦件所载历史信息的完整性,对剥釉琉璃瓦件的保护工作,不仅要保住瓦件本体,还希望在保护过程中,不对琉璃瓦件烧制温度等热事件方面的历史信息造成干扰,不对琉璃瓦件的形制尺寸造成明显影响。社会公众对文物的理解及其欣赏过程的心理感受,文物专家对保护的深层次要求,是本项研究确定科研路线和技术方法的指导方针。2.剥釉琉璃瓦件施釉重烧保护技术的基本思路琉璃瓦件剥釉机理内在因素的研究6,揭示了导致琉璃瓦件表面釉层剥落的两个主要因素。其一、坯体烧结程度较差、显气孔率过高;其二,坯釉热膨胀系数不匹配。针对釉层剥落的两个主要因素,我们提出的施釉重烧保护技术的基本思路是:第一,通过对坯体的高温复烧,改善坯体的烧结程度,避免或减小因坯体显气孔率过高,而引起的吸湿、冰冻膨胀率相对提高造成的对釉层剥落的影响;第二,调整坯釉热膨胀系数的匹配关系,避免或减少釉层表面的裂纹。二古代建筑关于染液的性能研究该项保护技术的基本思想,是通过对坯体的高温复烧,提高坯体的烧结程度,从而达到降低坯体显气孔率的目的,同时通过研究坯体热膨胀系数的规律,选择适当的釉层材料,改善坯釉热膨胀系数的匹配关系。(一)提高坯体的烧结程度1.清代紫禁城琉璃瓦件坯体的烧成温度在课题研究中,对坯体的吸水率、显气孔率、热膨胀系数、坯体主含量元素进行了实验分析(实验方法参见《古代建筑琉璃构件剥釉机理内在因素的研究》7及《WDXRF对古代建筑琉璃构件胎体主次量元素定量分析方法研究》8)。采用周仁、李家治先生的实验分析方法9,用德国耐弛公司的DIL—402C型热膨胀分析仪,在空气气氛中,以5℃/分的升温速率测量坯体的热膨胀分析曲线,由此确定样品的烧成温度。为了便于问题的讨论,将SiO2含量大于64%、A12O3含量小于28%的元素分析数据,以及吸水率、显气孔率、烧成温度、热膨胀系数的结果列在表一中;SiO2含量小于64%、Al2O3含量大于28%的元素分析数据,以及吸水率、显气孔率、烧成温度的结果列在[表二]中。[表一]和[表二]中的结果反映了紫禁城清代琉璃瓦件坯体所用原料的一般规律,[表一]所列样品的SiO2含量基本上均大于64%、Al2O3的含量均小于28%,[表二]所列样品的SiO2含量均小于64%、Al2O3的含量均大于28%,并且这一结果与瓦件的款识总体上存在着一一对应的关系。这一对应关系表明,上述琉璃瓦件坯体的原料组成大致可分为两类。根据对古代建筑琉璃构件剥落机理内在因素的研究10所得到的规律,即釉面保存完整的琉璃瓦件其吸水率值和显气孔率值分别在9%～13%和19%～26%的范围内,而吸水率值和显气孔率值分别大于15%和28%的琉璃瓦件釉面剥落严重。对[表一]和[表二]中吸水率值小于13%和大于15%的样品的烧成温度平均值进行了计算,结果为:[表一]中吸水率值小于13%的样品有27个,烧成温度的平均值为1035℃,吸水率值大于15%的样品有6个,烧成温度的平均值为979℃。[表二]中吸水率值小于13%的样品有17个,烧成温度的平均值为1065℃;吸水率值大于15%的样品有28个,烧成温度的平均值为1021℃。[表一]和[表二]勾画出了清代紫禁城建筑琉璃瓦件烧成温度的大致范围:高SiO2和低Al2O3的一类样品,合适的烧成温度在1035℃左右,明显欠烧的温度约在980℃以下;高Al2O3和低SiO2的一类样品,合适的烧成温度在1065℃左右,明显欠烧的温度约在1020℃以下。2.坯体复烧温度的讨论讨论坯体的复烧温度需要考虑的因素主要有三个方面:其一,坯体烧结程度的改善目标;其二,复烧引起的样品收缩是否在工程施工允许的尺寸偏差范围之内;其三,古代琉璃瓦件坯体的烧成温度。(1)坯体烧结程度的改善目标在讨论琉璃瓦件剥釉机理的过程中,通过对釉面保存完好和剥釉严重的琉璃瓦件的对比分析发现,表征琉璃瓦件坯体烧结程度的物理性能参数吸水率、显气孔率的值分别处在小于13%和小于26%,其坯体是一个较为合适的烧结程度。而吸水率值大于13%或显气孔率大于26%的坯体烧结程度较差,相对应的琉璃瓦件釉层剥落较为严重。[图一]为釉面保存状况与琉璃瓦件显气孔率关系散点图,它较为直观地反映了这一规律。琉璃瓦件表面釉层的剥落是一个复杂的过程,在诸多的影响因素中坯体的烧结程度是一个非常重要的影响因素。[图一]所显现出的规律,既揭示了坯体烧结程度对釉层剥落的影响,又指出了通过高温复烧改善坯体烧结程度的方向与目标。(2)复烧收缩与尺寸允许偏差在对剥釉琉璃瓦件坯体进行高温复烧的过程中,随着坯体中玻璃相物质的产生,显气孔率的减小,瓦件会产生一定程度的收缩。如何将这种收缩控制在瓦件几何尺寸允许的偏差范围内,实现坯体烧结程度的改善、显气孔率值的降低,是坯体高温复烧研究所要探寻的技术条件。发表在2007年第2期《砖瓦》刊物上的《烧结瓦》(报批稿)11,对烧结瓦的尺寸允许偏差做出了规定,规定见[表三]。该《烧结瓦》国家行业标准的起草单位为西安墙体材料研究设计院和咸阳陶瓷研究设计院,两家单位分别是1998年《烧结瓦》和2006年《建筑琉璃制品》国家建材行业标准的起草单位,该《烧结瓦》(报批稿)作为国家建材行业最新标准一经颁布,上述两个标准将同时作废。新版《烧结瓦》建材行业标准反映了这两家单位的最新研究结果。本文在讨论复烧收缩尺寸允许偏差的问题时,将这一标准作为了研究工作中的一个参考。紫禁城清代各样筒瓦与[表三]的尺寸允许偏差相对应,得到了[表四]各样筒瓦的尺寸允许偏差。《烧结瓦》作为国家建材行业质量标准,规范的对象较为广泛,相应的尺寸允许偏差也较大。为了实际了解故宫古建修缮中对琉璃瓦件的尺寸偏差要求,课题组分别咨询了有经验的工程施工人员、工程管理人员和琉璃瓦件的烧制人员,三方面的基本意见是:筒瓦的尺寸与样瓦差值的允许偏差应在3～4毫米以内,也即需将《烧结瓦》中尺寸允许的正负两个方向的偏差,改成为单方向的偏差值。由此可见,在剥釉琉璃瓦件的施釉重烧过程中,尺寸允许偏差问题显得比较复杂。一方面,清代琉璃瓦件各批产品之间的差值本身就超过了上述标准,以课题组对2007年慈宁宫修缮时卸下来的6样筒瓦的测量结果为例,款识为“北五作”的筒瓦其长度基本上是在30.2厘米左右,而款识为“一作造”筒瓦的长度则均在29.4厘米左右,两者的差值已有近1个厘米;另一方面,在对剥釉琉璃瓦件坯体进行高温复烧的过程中,随着坯体结构上的变化,瓦件又会产生一定量的收缩,使尺寸产生单方向的变化。如何根据有关的尺寸偏差标准,参照古建修缮中的实际要求,在坯体高温复烧的过程中合理控制瓦件的收缩量,是一项有待进一步研究的工作。(3)复烧温度从[表一]和[表二]所揭示的规律可以看到,清代紫禁城琉璃瓦件坯体的原料组成大致可分为两类,一类属高SiO2和低A12O3,另一类属高Al2O3和低SiO2,并且这种元素含量组成上的特征与瓦件的款识存在着一定的对应关系。从原料组成和烧成温度之间的关系可以看到,古代工匠似乎已经认识到了原料与烧成温度间的关系,高Al2O3的坯体烧成温度就高一些,“正烧温度”和明显欠烧温度分别为1065℃和1020℃;低Al2O3的坯体烧成温度相对低一些,“正烧温度”和明显欠烧温度分别为1035℃和980℃。根据以上研究,我们提出:在对那些吸水率值、显气孔率值比较高,坯体烧结程度较差的瓦件进行高温复烧时,首先应根据款识对坯体的原料组成进行分类,再根据坯体的类别确定复烧温度。高Al2O3的坯体应将复烧温度定在1065℃左右,低Al2O3的坯体应确定在1035℃左右。在此温度条件下,综合考虑坯体烧结程度的改善目标和复烧收缩在尺寸上的允许偏差,通过控制复烧时的保温时间,使坯体烧结程度得到有效的改善。(二)改善坯釉热膨胀系数匹配关系1.清代琉璃瓦件坯釉热膨胀系数匹配关系的一般规律课题组通过对82个样品所进行的分析测试,得到了琉璃瓦件釉层元素组成半定量分析结果(其中31个样品的数据已发表12),又通过对150个样品所进行的分析测试,计算出釉层材料的热膨胀系数理论值(其中31个样品的数据已发表(2)),结果分别见[表五]和[表六]。以上结果,反映了紫禁城清代琉璃瓦件坯体热膨胀系数的基本情况。在150个样品中,热膨胀系数为3～4×10-6/℃的样品有2个、4～5×10-6/℃)的样品有44个、5～6×10-6/℃)的样品有44个、6～7×10-6/℃)的样品有49个、7～8×10-6℃)的样品有10个、大于8×10-6/℃的样品数仅为1个,各自所占的比例约为1%、29%、29%、33%、7%和小于1%。由此可见,故宫清代琉璃瓦件坯体热膨胀系数主要集中在4～7×10-6℃的范围内。以上结果,反映了紫禁城清代琉璃瓦件坯体热膨胀系数的基本情况。釉的热膨胀系数有两组数据,一组数据为采用干福熹的理论及计算方法得到的结果,一组为实际测量得到的结果。两组数据总的趋势是实测值大于理论计算值,尽管两者都存在不同程度的误差,但一般而言实测值比理论计算值更具参考价值。因此,在对坯釉热膨胀系数的匹配关系进行对比分析时,如果两组数据都存在,则以釉的实测值与坯体进行比较。比较结果见[图二]和[图三]。[图二]反映了31个琉璃釉料热膨胀系数实测值与坯体热膨胀系数之间的匹配关系。在31个样品当中有3个热膨胀系数略小于坯,其余28个均大于坯,即釉呈张应力状态。[图三]反映了51个琉璃釉料热膨胀系数理论计算值与坯体热膨胀系数之间的匹配关系。在51个样品当中,有8个热膨胀系数小于坯,其余43个均大于坯,即釉呈张应力状态。综合[图二]和[图三]反映出的坯釉热膨胀系数匹配关系,82个样品中釉的热膨胀系数小于坯的为11个,占整个样品数的13.41%,大于坯的为71个,占整个样品数的86.59%。并且还可以看到,当釉呈压应力时,釉与坯的差值较小,均在1.5×10-6/℃的范围内,而当釉呈张应力时,釉与坯的差值则基本上是在2.5×10-6/℃的范围内,总的趋势为大多数样品的釉层呈较大的张应力状态。2.坯体复烧后热膨胀系数的变化规律琉璃瓦件坯体的热膨胀系数与其所用原料、焙烧条件、坯体结构有着密切的关联。在对剥釉琉璃瓦件施釉重烧的过程中,与釉层材料相匹配的坯体是经过高温复烧过的坯体,因此有必要掌握经过高温复烧后,坯体热膨胀系数的变化规律和具体的变化数值。有关文献13指出,无机材料的热膨胀系数并非是一个常数,而是随着温度的变化稍有变化,通常随温度的升高而增大。研究中发现,坯体高温复烧的实验结果与上述文献的结论是一致的。以89-12号样品为例,该样品复烧前的热膨胀系数为6.48×10-6/℃,在保温1小时的条件下,分别在950℃、1000℃、1050℃、1100℃条件下进行高温复烧,复烧后热膨胀系数的变化很小,仅是略有提高,具体数值分别为6.74×10-6/℃、6.84×10-6/℃、7.16×10-6/℃和7.19×10-6/℃。3.釉的研发(1)坯釉热膨胀系数匹配关系的相关论点已有的研究工作表明13,陶瓷坯釉之间热应力的产生主要是坯釉热膨胀系数不同引起的,坯釉热膨胀系数的差值愈大,所产生的应力愈大,差值愈接近,应力也愈小。根据陶瓷工艺学的理论(1),在考虑坯釉热膨胀系数的匹配关系时,由于釉的抗压强度大于抗张强度约50倍,故在考虑坯釉热膨胀系数匹配时,通常的做法是使釉层的热膨胀系数略小于坯体的热膨胀系数。有关研究14在讨论坯釉热膨胀系数合适的匹配关系时认为,釉的热膨胀系数比坯体的热膨胀系数小0.4～1.0×10-6/℃时,是较为理想的匹配关系。也有研究(3)认为釉比坯的热膨胀系数小1～2×10-6/℃是较为合适的匹配关系。上述两个结论其方向是一致的,综合考虑两个研究结果,我们认为可在较大范围内考虑琉璃瓦件坯釉的热膨胀系数匹配关系。在古代琉璃瓦件施釉重烧的过程中,调整坯釉的热膨胀系数匹配关系时受到了一定的限制。坯体的热膨胀系数受原料和工艺的影响已近成为定值,高温复烧后仅可在小范围内发生变化。调整坯釉之间的匹配关系,很大程度上要依赖于对琉璃釉的调整。(2)仿古熔块釉的研发及特点[图二]和[图三]所反映出的琉璃瓦件坯釉热膨胀系数匹配的一般规律、坯体高温复烧后热膨胀系数的变化趋势、有关研究关于坯釉热膨胀系数匹配关系的讨论,为琉璃瓦件釉的研发提供了参考依据。清代琉璃瓦件所用釉料为传统低温铅釉,氧化铅的含量通常可达60%左右。氧化铅是一种熔点低、光泽性好、热膨胀系数高、具有毒性的助熔材料,传统铅釉具有釉烧温度低、光泽性好、热膨胀系数高的几方面特点。研发出具有光泽度高、釉烧温度适当、热膨胀系数低的仿古熔块釉是一项难度很大的研究工作,本课题研究对此进行了初步地尝试。在本项研究中,一方面采用预制熔块的方法,使氧化铅与石英粉熔融生成硅酸铅,降低其毒性;另一方面利用混合碱效应1516替代氧化铅的作用,通过长石、锂云母、硼砂、方解石、菱镁矿等材料的引入,达到增加釉的流动性、降低釉烧温度、增加釉层表面光泽的作用。本项研究研发了4种可供选用的熔块釉,其各自的特点见[表七]。在讨论剥釉琉璃瓦件坯体复烧温度时所得到的结论为,将复烧温度定为1035℃左右(高SiO2和低A12O3类样品)或1065℃左右(高Al2O3和低SiO2类样品)是较为合适的。古代琉璃瓦件的烧制所用的传统烧制工艺为低温铅釉、二次烧成,即第一次高温烧制坯体,第二次低温烧制釉料。剥釉琉璃瓦件施釉重烧的工艺类似于传统的烧制工艺,第一次在1035℃或1065℃的相对高温条件下烧制坯体,第二次在1000℃以下的温度烧釉。本次研发的四种熔块釉,其釉烧温度为900～1000℃,满足二次烧成的工艺要求。四种釉的光泽度值为70～90个相对单位,这一光泽度值与新烧制的琉璃瓦100个相对单位、清代琉璃瓦件50～60个相对单位相比,介于两者之间。在釉的研发过程中,混合碱效应的应用,使氧化铅的用量从60%降低到20%以下,最低用量仅为4%。釉中铅用量的降低,提高了釉的化学稳定性。目前,釉面的光泽度虽然比新瓦的低一些,但其化学稳定性优于普通的高铅釉,可长期保持固有的光泽度。三坯体热膨胀系数的合理匹配在古代剥釉琉璃瓦件施釉重烧的过程中,有些琉璃瓦件SiO2含量较高,这类瓦件的特点是坯体的热膨胀系数均比较高,[表一]中47个样品热膨胀系数的平均值为6.67×10-6/℃,坯体的烧成温度基本上在1000℃以上,平均值为1020℃。具有上述两个特征的瓦件,尽管坯体烧结程度不佳,但可不对此类坯体进行高温复烧。高温复烧坯体的作用在于提高坯体的烧结程度,减小因坯体显气孔率过高,因吸湿或冰冻引起的膨胀过大造成琉璃瓦件表面釉层的剥落,其实质是减少外界环境水对坯体内部的渗入量。由于此类琉璃瓦件的坯体热膨胀系数较高,可通过选择本文研究的仿古熔块釉,进行坯釉热膨胀系数的合理匹配。如坯体热膨胀系数为6.67×10-6/℃左右的瓦件,可选择热膨胀系数为5～6×10-6/℃的釉料进行匹配,通过这种坯釉匹配关系的调整,避免或减少琉璃瓦件表面釉层的裂纹,提高釉层的阻水作用。坯体产生吸湿膨胀的前提是坯体中有水的渗入,外界水进入坯体的途径被阻断了,相应的吸湿和冰冻膨胀的影响也就减弱或消除了。改善坯釉热膨胀系数匹配关系的施釉重烧保护技术具体方法如下:将剥釉古代琉璃瓦件表面处理干净,直接在坯体上施釉,入窑后在低温的条件下仅通过一次釉烧。由于釉烧温度低于坯体在历史上的焙烧温度,因此不会对坯体热事件的历史造成干扰。此方法的特点在于,不仅实施方法比较简单,而且对坯体的焙烧历史未造成影响,从而使古代琉璃瓦件的固有信息得到了更为完整的保护。四研究的主要结论从《奏销档》、《乾隆会典则例》和《钦定工部续增则例》等清代文献可知,对剥釉琉璃瓦件进行施釉重烧在清代就已成为一种常规的处理方法,并且早在乾隆年间便已开始采用。但是,当时施釉重烧的具体做法以及重烧后的质量效果,文献没有记载,目前即使采用现代科技方法对此也难以进行揭示和加以验证。一般意义上的施釉重烧可以理解为在剥釉的琉璃瓦件坯体上,再施一层釉,入窑后在低温条件下进行釉烧。应该说在不明剥釉机理的情况下,简单的施釉重烧处理,虽然可使剥釉的琉璃瓦件坯体被一层琉璃釉重新覆盖,但影响釉层剥落的因素并未得到改善,有些情况下还会留下更大的隐患。本课题通过对瓦件釉层表面剥落内在因素的研究,在认清坯釉热膨胀系数不匹配和坯体烧结程度不佳是造成瓦件釉面剥落的两个主要内在因素的前提下,采取在调整琉璃釉的热膨胀系数和提高坯体烧结程度基础上的施釉重烧技术。本项研究贯穿着对传统工艺的科学化认知和在传统工艺基础上的科学化调整和改进。本研究得到的主要结论如下:(1)150个坯体样品热膨胀系数的测量结果表明,清代紫禁城琉璃瓦件坯体的热膨胀系数主要集中在4～7×10-6/℃的范围内。在讨论坯釉热膨胀系数匹配关系时发现:所研究的82个样品中釉的热膨胀系数小于坯的样品占整个样品总数的13.41%,釉的热膨胀系数大于坯的样品