牛郁波
山西省古建筑保护研究所 山西 030012
前言
临近相对湿度的波动引起彩画木构件中各种构成材料的变化：改变其形状和尺寸，影响其力学性能。用木材作为彩画材料的基质层呈现出了特殊的问题。在顺纹方向，所施彩画材料被认为几乎完全受到限制，因为在相对湿度的波动中木材顺纹尺寸基本保持不变。而在横纹方向，未受限制的木材基质层与水分相关的运动可能完全超过更少反应性的彩画层；在这种情况下，由于相对湿度的变化在基质层和彩画层间产生的应力与顺纹方向的应力是完全相反的。
为了量化相对湿度的波动对彩画木构件的影响，进行了一系列实验，以确定木材、凝胶、石膏、油漆等构成材料在一定相对湿度范围内的膨胀性反应。在不同的相对湿度值上，通过把这些材料不同的膨胀反应率相联系，使彩画木构件在不产生不可逆变形（开裂、起翘、脱落）或破坏的情况下所能承受的相对湿度的波动范围得以确定。
彩画木构件是复合结构。它们组合了不同种类的木材、皮胶、掺胶的石膏（硫酸钙）或石膏粉（碳酸钙）、各种颜料和树脂清漆。颜料介质包括蜡、蛋清、油和其组合。这些材料有不同的力学性能，对水分波动的反应也不同。作为其组合的彩画木构件表面的变化也非常复杂。最简单的是在木材表面直接施彩。
在过去四百年里，油画而不是蛋清调和画，是木材最普遍使用的彩画保护层。有着特殊力学性能的皮胶和石膏也会包括在内，因为它们常被组合进彩画木构件中。首先讨论的是各单独材料的性能，随后是作为复合结构的彩画木构件的各个相关方面。
关于相对湿度的波动对彩画木构件的影响，有三种基本情况需加考虑。第一，普遍的构造问题是内在的限制，在横纹方向，这种限制防止了相互连接的木材随相对湿度的波动而自然地膨胀和收缩。当木材作为自己本身的限制时，这种变化就会出现（不均匀的水分渗透既在木材的干区，也在木材的湿区产生应变）；第二个需加考虑的情况是在顺纹方向，木基质对其上所施油饰的限制；第三个同样重要的情况是，在与不受限制的木基质纹理相垂直的方向上，所施油饰层本身对相对湿度波动的反应。这里，各种不同材料对临近相对湿度的变化在反应率上的差别特别值得关注。下面就检查这三种基本情况并确定其最坏的状况。
1 木基质
数百年来，多种木材被用作彩画的基质，出于时尚、适用和可获得性的原因，各个地理性区域有自己偏爱的木料种类。
随着临近相对湿度的升高和降低，木材以膨胀和收缩的方式对水分做出反应。但木材是各向异性的，也就是说，与水分相关的尺度变化在木料的三个主要轴线上是不相同的，即纵向（顺纹）、径向和切向。最显著的水分反应是在切线方向，在这个方向的膨胀可达到几乎可忽略的纵向膨胀的八十倍。径向的膨胀大约为切线方向膨胀的一半。
如果在相对湿度的变化中受到限制，木料会产生很大的应力和应变。如果环境中水分的变化趣于极端，木材会产生塑性（永久）变形，这种情况会导致开裂。相对湿度多大的变化就会在完全受限的木料和彩画材料中产生塑性变形和破坏？
2 力学测试
关于木材对相对湿度变化的反应研究中，检查了几种木材的样本在切线方向施锯条件下的横纹力学性能。用这种测试方法，就得到了每种木材样本的屈服点和强度。测试中木材样本皆横纹逐渐加载，且在每一个加载点上留有30秒的允许应力松弛时间。这样与时间相关的变化被大大减小。测试起点的不同反映了横纹尺寸的变化，这种变化完全是由于与相对湿度相关的木材含水量的不同。测试温度在所有情况下都接近22℃。木材强度是破坏时的应力值—每次测试的结束值。棉白杨、白橡木和美国桃花心木各自在50％相对湿度时强度最高。
超过弹性（可逆）区到达塑性（不可逆）区的应变量能通过在不同的应变间隔中对木材样本进行卸载来确定。测试表明包括木材在内的大部分聚合物的屈服点大约为0.004。棉白杨有0.004的最初屈服点；但是，当应变硬化后，又有弹性（可逆）区的延伸。
3 环境因素导致的应变
人们易于认识的是当一种受限的吸湿性材料干燥脱水后会有一个应力的增加；不如此明显的是也有一个应变的增加。大多把应变与外在的变形相联系，而事实上，变形不一定意味着外在的运动。以可以自由收缩的吸湿性样本为例，当从高的相对湿度干燥脱水到低的相对湿度时，从初始长度收缩为最终长度。在平衡条件下，如果样本被拉回到其最初长度，显然样本会有一个应力和应变的增加。而这是在低的相对湿度条件下发生的。这种新的应力、应变和相对湿度状态与受到限制而不能自由收缩的样本从初始长度和高的相对湿度干燥脱水到低的相对湿度时相同。通过两种不同的途径，样本达到了相同的状态，横纹尺寸和相对湿度都相同。尽管有应变的增加，受限的样本并没有尺寸的变化。现在就需要确定当一种材料完全受限时，会导致屈服点应变的相对湿度变化量。如果不超过屈服点，完全受限的样本就能经受相对湿度的变化而不会受到损害。
4 膨胀等温线和水分膨胀系数
一种材料的膨胀和收缩量能通过相对于相对湿度的应变（尺寸变化与其最初尺寸的比率）来表示。
这种把材料尺寸反应与水分变化联系起来的表达方式有助于把材料的尺寸属性与其力学性能联系起来。在极高和极低相对湿度条件下水分变化对结构的影响最大，而在相对湿度的中间区域则影响最小。
有必要去确定棉白杨在任何临近相对湿度环境中可允许的相对湿度的波动：不使木材应变超过其屈服点的相对湿度变化。为此，可使用膨胀等温线并直接测量不超过0.004应变的相对湿度变化。另外，可确定一种材料在整个相对湿度变化范围内尺寸的变化率。这一比率被称为水分膨胀协同系数。
大多数关于木材膨胀的资料都报告水分膨胀协同系数为一常数，但并非如此。水分膨胀协同系数的最低值与膨胀等温线的最平坦部分相对应，即30％到70％相对湿度范围。
为确定某已知应变变化对棉白杨的影响，必须知道其屈服点及导致其断裂的应变量。在所有的相对湿度水平上，新棉白杨的屈服点约为0.004，而其断裂应变则随相对湿度的增加而增加。
5 可允许的相对湿度波动
有效地建立了在切线方向受限的棉白杨样本能够不受损坏地经受的相对湿度波动范围。拉力和压力屈服线为相对湿度（终结相对湿度）设立了限制，也就是邻近相对湿度（初始或平衡相对湿度）所能偏离的极限。线间区域可被视为可允许相对湿度区。因为所有数据与棉白杨的切线方向相关，从而代表了最坏的情况。如果木材是在径向受试，可允许的相对湿度波动范围会变大。这是因为屈服点至少仍为0.004，但棉白杨在径向的水分反应约为切线方向水分反应的一半。
如果木材是完全不受限的，则是不适用的；但在现实世界的真实环境中，限制总是存在的。限制可来自于基本的建造技术（即木构件常常是顺纹相互垂直地紧密联结起来）。当外层比内层对相对湿度的变化更快时，独木也会有内在的限制。可是，甚至是在最坏的结构性环境中，试验表明，如果邻近相对湿度以35％和60％为中心，棉白杨也能经受很大的相对湿度波动。在更高或更低的相对湿度下，可允许的相对湿度波动则急剧减小。棉白杨强制性地被置于可允许的相对湿度波动范围以外则会屈服。如果偏离的太大，材料就很可能通过断裂才能恢复到相对湿度中心区。
如果木材经过应变硬化，所有的古旧木构件都是如此，达到屈服点所要求的相对湿度变化会增加。实际上，弹性或可逆性的可允许相对湿度波动范围已经增大。可是，特别需要强调的是，无论是材料的破坏强度还是足以导致开裂的相对湿度变化量都没有改变。
如果棉白杨样本在50％相对湿度时受到限制，之后相对湿度增加到85％，木材就会经历压力塑性变形或压力永久变形。现在木材已被有效地缩短，而一旦从85％相对湿度开始干燥脱水，木材就开始产生拉应力。实际上，木材已经被重新初始化到85％相对湿度的受限状态。当从85％相对湿度干燥脱水到约81％相对湿度时，样本已达到拉力屈服。当恢复到50％相对湿度时，样本极有可能开裂。这一例证解释了为什么处于非常高的相对湿度中或储存在同等潮湿的外部环境中的受限木器，在搬进控制良好的博物馆环境中时常常会受到损害这一现象的原因。博物馆环境控制的程度并不是问题，而从极高相对湿度到适度相对湿度环境的基本变化才是破坏的原因。
6 单一树种中木材可变性的影响
同树种木材样本的力学性能差别也会非常大。有意义的是了解这种变化如何影响材料对环境中相对湿度波动的反应。从两个不同地方采集云杉样本，并就其对水分的尺度反应进行了力学试验。其力学表现有重大差别。云杉样本A的刚度和强度分别是云杉样本B的4.5倍和两倍。这一差别在整个相对湿度变化域中基本保持一致。两种新样本的屈服点都是0.004，但破坏应变却有极大的差别。在整个相对湿度变化域中，尽管样本A的强度更大，但其在样本B应变的三分之一时就断裂。测量其膨胀表现时没有显示什么不同，而水分膨胀协同系数也相当相似。在拉力及压力方向达到屈服应变所需要的相对湿度波动也没有显著不同。另外，这里相对湿度的波动比本文中以前所考察木材的相对湿度的波动范围要更大一些。在拉力方向导致破坏所需要的相对湿度的波动出现了区别。样本B与前述三种木材的表现相似，而样本A在任何相对湿度变化下都难以断裂。
7 皮胶
皮胶是一种常与彩画木器相关联的材料，无论其被用于粘接组件、施彩前涂刷表面，还是与石膏相混用于准备一个光滑的施彩表层。皮胶是一种对水分最具有尺度反应性的材料之一。
在几天到几周的短期时间内，兔皮胶的屈服点约为0.004到0.005（在极慢的试验中，破坏应变为约0.03到0.04）。对短期内出现的相对湿度变化也有可能确定会导致受限皮胶屈服应变的相对湿度波动。事实上，在50％相对湿度时，达到屈服点前的短期相对湿度波动可为±11％。因为没有共价交联，皮胶易于在6到12个月的时间里产生应力松弛，具体时间与相对湿度水平有关。因此，在长时间以后，所有皮胶内在应力都有松弛。可是，在过高的相对湿度（超过85％）中，皮胶会被重新激活；而随着相对湿度减低的干燥脱水，重激活的皮胶会产生极高的应力。
8 粘到未受限木基质上皮胶的反应
理论上讲，由于其所导致的高应力，快速极度的相对湿度变化对涂有皮胶的木器会产生极大的损害。由于涂胶彩画木器中的基质体量较大，从而为相对薄的胶层中产生的应力提供了反向抗力。由于木材在顺纹方向对水分的尺度反应非常小，木材在这一方向对粘附到它上面的所有材料（包括胶、织物、石膏和油漆）都是一个完全的限制。
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在横纹方向，未受限木材的尺寸会随相对湿度的变化而变化。如果粘附到木基质上所有材料的水分膨胀协同系数都与木材相同，那么相对湿度的变化就不会在横纹方向的粘附层中产生应力。通过比较棉白杨和皮胶的水分膨胀协同系数，在约70％相对湿度处曲线相交：在这一相对湿度，木材和皮胶都以相同的速率膨胀或收缩，而棉白杨是对水分最具有尺度反应性的木材之一。
实际上，木材的膨胀超过了皮胶的膨胀，因而木材的拉力开始在皮胶中产生拉应变。考虑到可允许相对湿度的波动，皮胶在完全受限的木材纵向的应变是最严重的；但显然，急剧的干燥脱水在木材的两个方向都会导致皮胶的开裂。另外，极度的潮湿会同时使皮胶在木材的切线方向受到很大的拉力、在木材的纵向方向受到很大的压力—产生的两种应变都潜在地导致破坏。
9 石膏泥
石膏泥是皮胶与石膏或石膏粉的混合物，用于在木材上准备光滑的可施彩表层。有时其它的材料，如锌白和黏土，也被掺入。掺入固体与皮胶的比例对石膏泥的力学性能和尺度性质有极大的影响。这一比例用颜料体量浓度表示（PVC）。由于皮胶的相对含量更少，填充料的浓度越高（高的PVC值），石膏泥变得更弱、更硬，对邻近水分的尺度反应也变得更小。两种不同的石膏泥混合物对相对湿度的尺度反应：一种PVC=58.3，另一种PVC=81.6。在整个相对湿度区域内，低PVC石膏泥最大的变化为约1.5％（应变=0.015）；而高PVC石膏泥最大的变化为约0.6％，约为纯皮胶（PVC值相当于为0，其膨胀值高达6％）的十分之一。随着PVC值的增加，石膏泥在极低的应变下就会屈服和破坏。这两种石膏泥在水分膨胀协同系数上也不同。两者都显示最低值（代表了最小的尺度反应）出现在50％和60％相对湿度之间。
像所有已检查过的材料一样，相对湿度也对石膏泥的力学性能产生影响。对其中一种石膏泥（PVC=58.3）的拉力试验表明，随着相对湿度的增加，其强度急剧减低。实际上，在低的相对湿度区测得的石膏泥应变值比相对湿度中间区测得的应变值大。屈服应变约为0.0025，而破坏应变则再一次随相对湿度不同而变化，但总体上比与彩画木器相关联的其它材料要低。
尽管有着较低的屈服和破坏应变，与大部分其它材料相比，石膏泥在达到屈服前能经受更大的相对湿度变化。在木基质的纵向方向完全受到限制的石膏泥（PVC=58.3）达到屈服和开裂所需要的相对湿度是变化的。
石膏泥和棉白杨的水分膨胀协同系数不仅非常低，而且在40％到60％相对湿度区域中接近一致。这意味着在这一相对湿度区域，棉白杨和所施的石膏泥不仅膨胀和收缩的都非常小，而且其膨胀和收缩的速率也几乎完全相同；从而两者间就几乎没有结构上的相互作用。
可允许相对湿度波动的范围在切线方向比在纵向方向受到更大的限制。然而，以50％相对湿度为始点，相对湿度能降到28％或升到66％而不会使石膏泥在切线方向屈服。即使在这种最坏的例子中，木材和石膏泥的复合结构也能经受相当大的相对湿度波动。
10 油漆层
为了研究刚度、强度和对相对湿度波动的反应，在真实的平衡条件下（在每次逐渐加载前都留有几周的应力松弛时间），对已有15年之久的油漆进行了力学试验。对两组油漆进行了拉力试验。在整个试验中，尽管所有油漆的屈服点都保持在约0.004，但在相同的相对湿度和温度下的破坏应变却随油漆的不同而变化。例如，在48％相对湿度和22℃条件下，碳酸铅白红花油的破坏应变为0.02，而钛白红花油的破坏应变为0.01。但同样的油漆在不同的相对湿度条件下进行试验时，其结果表明相对湿度在力学性能的改变中起着重要作用。
通常，油漆对水分的反应比皮胶和木材要小。例如，当相对湿度从20％升到90％时，碳酸铅白红花油的总长度只有约0.5％的变化。水分膨胀协同系数图表明它是这次研究中最少尺度反应性的材料之一。
11 溶剂对油漆的影响
滤掉油漆的可溶成分对其力学性能有着重大影响。两种15年之久的油漆，镉黄红花油和镉黄醇酸，先在甲苯中浸泡一周，再干燥8周。在处理前和处理后对镉黄油漆和镉黄醇酸漆进行了各自的平衡拉力试验。令人意外的是经过处理和未经过处理油漆的屈服点没有什么不同。可是，在处理后，每种油漆在刚度上有5倍的增加，在强度上有3到4倍的增加。很显然，被甲苯滤掉的可溶成分起着塑化剂的作用。溶剂过滤类似油漆的老化过程之一，这种老化会导致刚度和强度的增加、自由脂肪酸和其它易挥发小分子重量成分的难以蒸发。
用应变-屈服值和对所测试油漆的水分膨胀协同系数进行积分，就有可能为几种受限油漆建立可允许相对湿度波动范围。镉黄油（经过甲苯处理和未经过甲苯处理）、镉黄醇酸（经过甲苯处理和未经过甲苯处理）、碳酸铅白红花油和钛白红花油的可经受相对湿度波动范围。因为甲苯处理既没有改变所测试油漆的屈服点，也没有改变其水分膨胀协同系数，所以经过甲苯处理和未经过甲苯处理油漆的可允许相对湿度波动范围没有什么差别。
12 彩画木构件基层的复合性反应
对棉白杨、皮胶、石膏泥和碳酸铅白油漆的水分膨胀协同系数进行了比较。除了在70％到100％相对湿度区石膏泥的水分膨胀协同系数略有上升而油漆的水分膨胀协同系数几乎保持平直外，两者的水分膨胀协同系数都一样地很低。像石膏泥一样，施到未受限木基质上的油漆在相对湿度中间区域之外也会有严重的膨胀不相匹配。在纵向上油漆的可允许相对湿度波动是相当大的。从50％相对湿度开始干燥脱水，在油漆达到屈服前相对湿度可降到10％；从50％相对湿度开始潮湿吸水，相对湿度可安全地升到95％。在切线方向，干燥脱水到26％相对湿度时将导致压力屈服；超过该点就会出现劈裂和屈曲。相对湿度增加到70％将引起拉力屈服，在极高的相对湿度区就会开裂。
13 彩画层的起翘和粘接
通常，彩画层从其基质层的物理分离（即剥落、起翘和片化）显示在裂缝出现以后。可是，也有一些彩画层从其木基质分离而没有裂缝出现的情形。艺术保护中这种情形被称为假裂，而油漆界称之为油漆起泡。在室外施彩的木构件表面，起泡可能源于新漆表层的阳光加热、过量水分的渗入、或源于油漆层下产生的气体。在所有的可能中，基质材料准备的不好也有助于由过量水分引起的间层或假裂。因为较低的内聚性和材料间低的粘接力，粘胶不足的石膏打底特别易于产生假裂。
对已开裂油漆层的片化提出了许多的原因。室外油漆的片化可由暴露于经常的干湿循环环境中引起。太少的油介质，以及基质表面的不洁如尘土、蜡、脂肪、非干性油和润脂都会导致粘接力的不足。低温也会引起片化。
广为人知的是大部分油漆和清漆的弹性、粘性和抗冲击能力都受到低温的极大损害。所谓低温不一定是在冰点以下，对某些保护层这种倾向在10℃左右已出现。只要彩画层是在刚性结构上且不开裂，破坏就不会变得永久且不明显。
一些木材比其它木材能更好地接受和保持油漆。雪松、柏树和红杉都是很好的木材，而红白橡木、榆树、栗木和灰胡桃木被认为不是好的选材。影响油饰层长久性的因素之一是木材与水分相关的尺寸稳定性，能较好保持油饰层的木材倾向于是尺寸最稳定的。显然，这正是径向板比切线板能更好保持油饰层的原因。然而，木材保持油饰层的主要影响因素却是密度而不是尺寸稳定性，较疏（更多孔）的木材是较好的油饰层基质。这也解释了在有显著春-秋木差别的树种中油漆能更好地粘接到春木部分的倾向；春木所具有的较低的密度和较大的孔积率有助于保持其油饰层。这种木材密度与油漆粘接的关联性表明木材-油漆间的联结主要是力学的。
无论粘接是力学的还是化学的，两种粘接机制都极大地受到木材亲水性的影响。水分能严重地影响现存的木材-油漆间的联结，裂缝试验表明施彩时木材中已存在的水分也能严重地削弱这种联结。
水分是导致油饰层、粘胶或石膏底相分离的最重要因素之一。高的水分含量瓦解了这些粘接键，而随后的干燥脱水则物理性地使各组成材料相离散。木材中的高含水量可来自于液体源，如雨水、墙上的冷凝水或潮湿地基下的地下水；也可来自于气体源—临近环境中持续的高相对湿度。
总结
相对湿度的波动在文物建筑的各种材料中产生应变。量化其中每种材料对水分的反应可以确定可允许的相对湿度波动—一个物件能安全经受的相对湿度变化。理论上讲，皮胶被发现是限制该彩画板可允许的相对湿度波动的材料。因为屈服点低而对水分反应的膨胀能力很大，皮胶对该彩画板可允许的相对湿度波动的限制范围为50％±11％（从39％到61％）。可是，由于随时间变化的应力松弛，实际上皮胶对整个彩画板对水分的反应几乎没有影响。
确定一个具体构件的可允许相对湿度波动最大值最终是通过：1）检查组成该构件的每种材料独立的相对湿度反应；2）确定该构件的复合性质对每种材料反应的影响；3）然后把最坏的复合反应情况作为真正限制可允许相对湿度波动的因素。
同样重要的是研究显示了在具体的环境条件下最有可能出现的损害类型。例如，彩画板对急剧相对湿度增加的膨胀反应中，裂缝最有可能出现在石膏和油漆层中。这些裂缝会在与顺纹（纵向）平行的方向开展。在极度的干燥脱水中，石膏和油漆层中也会出现裂缝，但这些裂缝与木基质的纹理相垂直（横纹）。在急剧的干燥脱水中，石膏和油漆层甚至会经受压力劈裂和起皱，但起皱的纹线总是与木基质的纹理相平行（顺纹）。
研究也显示，如果在极高或极低的相对湿度中趋于平衡，彩画板就不能不受损害的再恢复到适度的相对湿度区中。这是因为在极高或极低的临近相对湿度区中，可允许的相对湿度波动范围变得狭窄，只允许非常小的相对湿度变化而没有屈服和破坏。
从结构稳定的角度看，大部分构件的最优环境基线是在相对湿度区的中间（从45％到55％相对湿度），因为几乎所有材料的最低相对湿度-尺度反应率（即最低的水分膨胀协同系数）都位于该区域。
注：原文中所用量度单位为英制的磅和英寸，译文中全部转换为标准的国际公制量度单位。
英文原名为Structural Response of Painted Wood Surfaces to Changes in Ambient Relative Humidity；选自由美国弗吉尼亚州威廉斯堡市美国历史和艺术品保护研究所木器部（Symposium Organized by the Wooden Artifacts Groups of the American Institute for Conservation of Historic and Artistic Works）组织和举办、美国盖蒂保护研究所（The Getty Conservation Institute）免费（体现了该研究所合作、共享，以提升人类文化遗产保护质量的宗旨）出版的专题论文集《彩画木器：历史与保护》（Painted Wood：History and Conservation）中第六卷《科学研究》（Scientific Research）。
论文作者:牛郁波
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/11/12
标签：相对湿度论文; 木材论文; 水分论文; 彩画论文; 应变论文; 油漆论文; 石膏论文; 《建筑学研究前沿》2018年第16期论文;