干燥过程中以粘土与土坯抹灰为基底的壁画损伤风险预测

为何古寺壁画关心室内空气

在博物馆和古老寺庙中，即便是室内湿度的小幅变化，也可能逐渐使珍贵壁画出现裂缝。本文以日本法隆寺的著名佛教壁画为例，提出一个务实的问题：在不造成新损伤的前提下，周围空气可以多快、多大程度地被抽干？研究者通过构建壁画多层粘土与抹灰基底的详细计算模型，探索在避免不必要能源消耗的同时更安全地控制湿度的方法。

由“会呼吸”的泥土构成的古代艺术

法隆寺的壁画附着在由若干层叠抹灰构成的面板上：中层与上层为土质抹灰，表面有一层帮助颜料附着的白色粘土层，以及薄薄的颜料层。这些材料多孔，行为类似海绵——吸湿时膨胀、干燥时收缩。由于各层的响应不同，空气湿度的变化会在内部产生应变与应力，最终可能引发表面裂缝。一些原始面板已出现纵向裂缝，尤其集中在中心区域，这表明未来的湿度波动可能加剧损伤。

脆弱壁画的虚拟孪生体

为了在不对原作试验的前提下研究这一问题，研究者构建了典型面板的数值“虚拟孪生体”。他们以截面形式表示壁画，并结合了两类先进模型：一类随时间跟踪多孔材料中热量与水分的传输，另一类将水分变化与材料内部的力学应力和应变联系起来。研究者用经严格制备的白色粘土与抹灰样品的数据为模型提供现实的材料参数，如刚度、强度、孔隙率以及这些参数如何随湿度与成分变化。模型输出一个损伤风险程度——介于零到一之间的数值，表示预测的拉应力与材料拉伸强度之比。

裂缝最可能出现的时间与地点

模拟显示，在干燥过程中，最高的拉应力出现在白色粘土层的前表面附近，尤其是在壁画中心区域。当周围空气变干时，近表面区域先失水并开始收缩，而仍然潮湿的内部阻碍这一运动。这种约束将拉应力集中在靠近表面的部位。研究团队还探讨了白色粘土的具体配方——陶土、植物纤维和米粉的配比——如何影响脆弱性。在多种组合中，他们识别出一种纤维与米粉含量相对较高的配方会产生最大的损伤风险，并以该“最不利”成分组合作为保守假设，以避免低估真实壁画可能遭受的危害。

多少干燥算过度？多快算太快？

作者随后测试了不同的湿度情形。他们将一秒内的突降相对湿度与长达六小时的缓慢变化进行了比较。即便是从90%骤降到10%这样的极大突变，也未使其非老化材料的模拟损伤风险超过裂缝起始阈值。然而，该模型很可能低估了已有数百年历史的原件的真实风险，因为原件可能已因既往损伤和长期老化而被削弱。更可靠的用途是作为比较工具：模型表明，对于从70%降至50%的中等湿度下降，将变化分摊到六小时内比将70%突降到65%（当前博物馆指南认为对多数物件无害）产生的损伤风险要低。

温和变化能更好保护历史

对非专业读者而言，主要结论很简单：由层状粘土与土质抹灰构成的壁画对周围空气干燥的速度尤其敏感，而不仅仅是对最终湿度水平敏感。缓慢、可控的干燥使各层内部的水分与应力得以均衡，从而降低出现新裂缝的风险。尽管还需更多工作以将老化和既有损伤纳入对法隆寺真实壁画的评估，这一建模方法为修复人员提供了一种基于科学的比较手段，帮助他们在保护无价艺术品与减少耗能环保控制之间做出权衡并选择合适的湿度策略。

引用: Ishikawa, K., Ogura, D., Iba, C. et al. Damage risk prediction of wall paintings with clay and earthen plaster substrates during drying. npj Herit. Sci. 14, 156 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02408-8

关键词: 壁画修复保护, 湿度控制, 文化遗产, 土坯抹灰, 数值模拟