Hiện tượng phong hóa do muối trên các di tích tại Đông Nam Á

Hiện tượng phong hóa do muối rất phổ biến trên các di tích gần biển có kết cấu vật liệu xốp như gạch (theo Fitzner B. và các tác giả khác, 2000), (Theoulakis và các tác giả khác, 1999), các di tích có vật liệu với độ xốp thấp hơn như đá cẩm thạch và đá granite (Chabas và các tác giả khác, 2001), cũng như trên các di tích được làm bằng vật liệu nhân tạo tương tự như gạch (Larsen và các tác giả khác, 2007), (Lubelli và các tác giả khác, 2004), (Larsen và các tác giả khác, 1990).

Khu di tích tháp Chăm Khương Mỹ bị muối dóa.

Hiện tượng phong hóa do muối rất phổ biến trên các di tích gần biển có kết cấu vật liệu xốp như gạch (theo Fitzner B. và các tác giả khác, 2000), (Theoulakis và các tác giả khác, 1999), các di tích có vật liệu với độ xốp thấp hơn như đá cẩm thạch và đá granite (Chabas và các tác giả khác, 2001), cũng như trên các di tích được làm bằng vật liệu nhân tạo tương tự như gạch (Larsen và các tác giả khác, 2007), (Lubelli và các tác giả khác, 2004), (Larsen và các tác giả khác, 1990).

Hiện tượng muối kết tinh có liên quan trực tiếp đến độ ẩm không khí và độ xốp của vật liệu; hiện tượng phong hóa trên gạch cũng như các loại đá tự nhiên diễn ra tương tự nhau. Tác động của hiện tượng kết tinh của các loại muối khóang hòa tan góp phần đẩy nhanh quá trình làm xuống cấp vật liệu, gây hiện tượng nở hoa, mất liên kết và bào mòn vật liệu. Đặc biệt, quá trình kết tinh xảy ra phổ biến ở các bộ phận của di tích có nồng độ khí bốc hơi cao, đây là một tác động mang tính tổng hợp trong đó quá trình kết tinh và độ ẩm không khí phụ thuộc chặt chẽ lẫn nhau. Hơi nước mang theo các ion dương (cation) và ion âm (anion) từ dưới đất như Sulphat, Nitrit, Natri, Kali, Canxi, hiện tượng kết tinh của các muối Sunphat và Nitrat đẩy nhanh quá trình phong hóa và gây hư hại vật liệu. Các muối gốc Clorid tích tụ từ trong không khí bám trên vật liệu và dễ dàng được di chuyển tự do trên di tích; tinh thể các muối này có thể bít các lỗ thóat hơi trên vật liệu và gây ra áp lực ngày càng lớn trên bề mặt vật liệu. Hiện tượng này dễ dàng được nhận ra qua sự hư hại trên vật liệu diễn ra lúc cường độ bốc hơi diễn ra mạnh nhất, và có thể dẫn đến sự xuống cấp tổng thể cho toàn bộ kết cấu di tích.

Tại các vùng duyên hải và lục địa Địa Trung Hải, không khí thường ấm áp, tuy nhiên sự thay đổi độ ẩm trong ngày thường xuyên gây nên hiện tượng di chuyển và tích tụ muối. Đông Nam Á là vùng có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm với lượng mưa lớn quanh năm do thay đổi thời tiết theo mùa và do gió mùa gây nên.Vành đai mưa nhiệt đới cũng gây ra lượng mưa không nhỏ trong thời gian có gió mùa. Độ ẩm trung bình trong năm thường là trên 75%, sự di chuyển của các khối khí nóng ẩm, gió mùa và các cơn cuồng phong thường diễn ra ít nhất 6 tháng trong năm, điều kiện khí hậu khắc nghiệt này dẫn đến sự xuống cấp của di tích. Hình 1. là ví dụ về gió mạnh ở Đông Nam Á, vùng lục địa thường bị tác động của gió theo hai hướng chính (riêng ở miền Bắc Việt Nam là 3 hướng chính) (Theo Hein và các tác giả khác, 2004), một khối khí biển nhiệt đới hội tụ với áp suất lớn bao phủ Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương; khối không khí tập trung ở Ấn Độ Dương thường bị núi che chắn một phần.

Hình ảnh dự báo thời tiết trong 2 tuần của một đợt gió mùa

Đông Nam Á có nhiều di tích kiến trúc được xây dựng với những ảnh hưởng theo mức độ khác nhau từ hai nền văn hóa lân cận ở khu vực châu Á là Ấn Độ và Trung Quốc.

Ngày nay, nhiều di sản vẫn còn tồn tại rải rác ở Đông Nam Á, trong đó một số đã được đưa và Danh sách di sản thế giới của UNESCO. Nhiều di tích đã được trùng tu trong khi một số khác bị rơi vào tình trạng bị lãng quên.

Qua quan sát tại các di tích ở Đông Nam Á, cụ thể là Thái Lan, Campuchia, Mianma, và Indonesia, những hư hại dạng thối mủn chính trên di tích gồm có: Bào mòn do gió, mất liên kết, hóa bột, đóng vảy, bong theo từng mảng và bị xâm thực do thực vật (hình 2). Những dạng hư hại này cũng được ghi nhận trong một chuyến khảo sát tại Việt Nam vào tháng 4/2011 nhằm chọn di tích Chăm gần phía Nam của nước này để tìm hiểu tình hình tác hại của hiện tượng phong hóa và nguyên nhân gây ra hư hại đối với di tích.

Trong chuyến hành trình này, chúng tôi đã khảo sát quần thể tháp Po Nagar, Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa, cách biển Đông chừng 500m và phát hiện những di tích này đã bị hư hại nghiêm trọng do sự bốc hơi từ nước biển. Sau đó, chúng tôi tiếp tục khảo sát tháp Nhạn, tại một ngôi làng dưới ngọn núi Nhạn thuộc tỉnh Phú Yên. Chúng tôi cũng tiến hành khảo sát tại nhóm tháp Hưng Thạnh, TP Quy Nhơn, tháp Bình Lâm và tháp Bánh Ít tại huyện Tuy Phước, tháp Cánh Tiên tại huyện An Nhơn và tháp Dương Long tại huyện Tây Sơn, tỉnh Bình Định. Cuối cùng chúng tôi kết thúc hành trình tại tỉnh Quảng Nam, tại đây chúng tôi khảo sát các tháp như Bàng An (Điện Bàn), Khương Mỹ (Núi Thành), Chiên Đàn (Phú Ninh).

Tất cả những di tích này nằm dọc theo bờ biển. Phần lớn bị hư hại nặng do tác động của tự nhiên. Nhiều di tích đã được chính quyền địa phương và các tổ chức quốc tế tiến hành tu bổ (Trường Viễn Đông Bác Cổ dẫn đầu là H. Parmentier vào những năm 1990, Chương trình hợp tác Việt Nam- Ba Lan năm 1981-1982 và 1983-1986). Chúng tôi đặc biệt lưu ý đến hai di tích Po Nagar (cách biển 500m) và Khương Mỹ (cách biển 17000m).

Cả Khương Mỹ và Po Nagar là những di tích kiến trúc nghệ thuật đặc sắc của Champa được H.Parmentier phát hiện (H.Parmentier 1909). Khối xây đặc trưng của di tích Champa bao gồm gạch sản xuất bằng tay và vữa bằng nhựa cây.

Chúng tôi đã nỗ lực nghiên cứu nguyên nhân gây mủn gạch dựa theo lý thuyết về quá trình kết tinh của muối và thông qua quan sát trực tiếp ở tầm vĩ mô đối với các phần hư hại trên khối xây để đánh giá việc xử lý và sự phát triển của hiện tượng mủn gạch tại Po Nagar và Khương Mỹ. Việc đánh giá ở tầm vĩ mô được hỗ trợ bởi dữ liệu phân tích mẫu. Mục đích của công việc này là nhằm đưa ra kết luận hiện tượng mủn vật liệu trên các tháp Chăm ở Việt Nam cũng có liên quan đến hơi nước biển, kể cả trên các di tích ở xa biển.

Hiện tượng phong hóa tại các di tích Đông Nam Á khác: Từ bên trái Wat Pra Sri Sanpet, Thái Lan; nhóm tháp Roulous, đền Loilei và đền Peah Ko, Campuchia

Tình trạng các di tích

Tháp Po Nagar (hình 3) tọa lạc trên một Cù Lao nhỏ gần TP Nha Trang và nhìn ra biển Đông và cửa sông Cái và sông Bà Rá. Theo Trần Kỳ Phương (Trần Kỳ Phương và các tác giả khác, 2008), ngôi đền bằng gỗ đầu tiên tại Mỹ Sơn đã bị cháy năm 774. Dựa trên kết quả khai quật khảo cổ học được tiến hành đầu thế kỷ 20 bởi Trường Viễn Đông Bác Cổ, trước đây có mười công trình kiến trúc được xây trên một ngọn đồi. Đến ngày nay, chiến tranh và thời gian đã tàn phá chỉ còn lại năm công trình. Quẩn thể di tích được xây ở hai cao trình khác nhau: Trên cao là tháp chính, tháp Nam, tháp Tây Bắc và tháp Tây Nam. Phía trước tháp chính có một bậc cấp với độ dốc khá lớn dẫn xuống tầng dưới, nơi có 4 hàng cột, nhiều giả thuyết cho rằng đây chúng thuộc về một sảnh lớn có mặt bằng hình vuông (Baptise và các tác giả khác, 2005), có thể là một Mandapa. Dạng hư hại chính được quan sát tại quần thể di tích này là bào mòn do gió, hóa bột, bong vảy, nở hoa, bong mảng, tạo lớp vỏ cứng, thực vật xâm thực. So sánh hình ảnh của Mandapa năm 1909 và năm 2011 (hình 3) có thể thấy quá trình hư hại diễn ra một cách chậm chạp nhưng kéo dài. Đợt tu sửa di tích từ năm 1994-2000 tại một số bộ phận của các trụ sử dụng gạch mới và vữa xi măng đã có biểu hiện hư hại nặng do bào mòn, hóa bột và nở hoa (hình 4). Nghiên cứu điều kiện vi khí hậu đặc trưng tại các bờ biển Việt Nam, rõ ràng là quá trình bốc hơi của nước biển và chu trình của quá trình kết tinh muối bên trong các thành phần xốp của vật liệu, cùng với quá trình xâm thực mạnh mẽ của thực vật trên phần lớn các bề mặt di tích … là những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng thối mủn.

Nhóm tháp Khương Mỹ tọa lạc tại Tam Xuân, tại một khu đất bằng phẳng cách biển khoảng 17km. Nhóm tháp này gồm có 3 kalan có kích thước khác nhau nằm trên trục Bắc- Nam, mặt chính quay về hướng Đông. Nhóm tháp này được cho là xây vào khoảng năm 900 (Theo Trần Kỳ Phương và các tác giả khác, 2006), trong ba đợt khác nhau. Tháp Nam được xây dựng trước, tháp Bắc được xây dựng sau cùng.

Mặt bằng tổng thể nhóm tháp Po Nagar và mặt cắt phía Bắc của Mandapa, bản vẽ của
H. Parmentier (1909)

Các dạng hư hại tiêu biểu tại di tích này là bào mòn do gió, hóa bột, bong vảy, bong mảng, mất vật liệu, thực vật xâm thực.

Bằng cách so sánh hình ảnh lịch sử của các tháp từ năm 1909 đến 2011 (hình 5), chúng tôi nhận thấy quá trình hư hại tại Khương Mỹ diễn ra chậm hơn so với nhóm tháp Po Nagar. Đợt gia cố tiến hành năm 2000 (Baptise và các tác giả khác, 2005), tại góc tháp Nam bằng gạch mới và vữa bằng bột gạch cũng đã bị hư hỏng dạng hóa bột và bào mòn. Hiện tượng gió ăn mòn (hình 5) được tập trung chủ yếu tại góc tháp ở độ cao khoảng 150 và 300cm, chủ yếu là tại mặt phía Đông, phía Tây và tại góc tháp phía Đông Nam. Nguyên nhân được cho là do hơi nước biển. Sự xuống cấp ở diện rộng và tại các thành phần được can thiệp gần đây đã diễn ra chỉ trong khoảng thập kỷ vừa qua. Qua quan sát ở tầm vĩ mô tình trạng xuống cấp di tích tại Po Nagar và Khương Mỹ, chúng tôi đã nhận thấy nhiều điểm tương đồng giữa hai địa điểm này. Hiện tượng hư hại tại Po Nagar chắc chắn là do có sự hiện diện của muối hòa tan (ion clorid) trong khối xây do di tích ở gần biển. Đợt khảo sát của chúng tôi tập trung vào các tháp Khương Mỹ để kiểm tra sự hiện diện của các ion clorid.

Mẫu tại Khương Mỹ

Các mẫu tại Khương Mỹ được chọn là những khối xây lớn và đã được địa phương cho phép nghiên cứu. Trong chuyến tham quan của chúng tôi đến Khương Mỹ, chúng tôi đã xác định sơ bộ một mức độ hư hại tại đây (hình 5) (Franke và các tác giả khác, 1998), cho phép xác định các mảng bị bào mòn và hóa bột tại các phần thấp của thân tháp (dưới 300cm) và tại góc các tháp. Phần trên của tháp, đặc biệt là tại phần đỉnh tháp, tình trạng xâm thực, cả do địa y và thực vật đã được ghi nhận. Địa y cũng là được tìm thấy trong các mảng trang trí trên các bề mặt di tích. Bên dưới đỉnh tháp cũng xuất hiện nhiều mảng bị bong mủn (hình 5). Qua khảo sát, sự hư hại tại Khương Mỹ, chúng tôi đã tiến hành lấy một số mẫu tuy nhiên vẫn đảm bảo sự an toàn của di tích. Các mẫu được lấy khô với dụng cụ là búa, đục và dao nhọn. Một số mẫu được chọn từ những khối xây gốc và cũng như tại các mảng xây tu bổ. Mẫu gạch đã được kiểm nghiệm để xác định mức độ hư hại tại các độ cao khác nhau của di tích và xác định nguyên nhân của hư hại có phải do phong hóa không. Hiện tượng hóa vảy cũng được lấy mẫu để tìm hiểu được bản chất.

Một số hình ảnh về tình trạng hư hại tại Mandapa của nhóm tháp
Po Nagar và các trụ gạch năm 2011

Số lượng mẫu và khảo sát tại chỗ được tiến hành trên các tháp để tìm hiểu tình trạng chung của di tích.

Từ khối xây gốc chúng tôi trích mẫu sau: KMN1, tại phía bên ngoài tháp Bắc, cách mặt đất khoảng 180cm và mẫu KMS1, lấy từ khối xây phía Đông của tháp Nam tại vị trí cách mặt đất 5cm.

Mẫu tu bổ KMNB1 được lấy từ khối xây tu bổ bên ngoài phía Nam tháp Nam, cách mặt đất 160cm. Hiện tượng hóa vảy được trích mẫu từ tháp Nam (mặt Nam) tại vị trí cách mặt đất 140cm (KMS3) và tháp giữa (mặt Nam) tại vị trí cách mặt đất 150cm (KMC1). Từ khối xây mới của tháp Nam và trích mẫu tại các phần liên kết, KMSNM2, đã được chọn tại vị trí cách mặt đất khoảng 200cm và sâu xuống 13cm.

Vật liệu và phương pháp

Phân tích các mẫu (bột, mảnh vỡ hoặc các mảng chéo) bằng các kỹ thuật sau:

  1. Đo đạc suất dẫn. Điện dẫn của các phần lọc nói trên của lượng muối được trích xuất, thực hiện theo UNI 11087-2003, được đo đạc sau thời gian chắt gạn bằng máy CM 35 (CRISON INSTRUMENT S.A) với độ phân giải 0,01 µS cm-1 và thiết bị điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình đo đạc. Trước khi thử nghiệm, thiết bị được điều chỉnh ở 3 mức (147 µS cm-1, 1413 µS cm-1, 12,88 µS cm-1) phù hợp với mức điện dẫn mong muốn.
  2. Sử dụng máy PW 1830 Philip để gây nhiễu xạ tia X, với bức xạ CuKα trên một máy đo góc 2Ɵ. Quá trình quét được thực hiện ở dãy 5-80o2Ɵ, mỗi bước 0,02 độ với thời gian tính là 0,5 giây. Đỉnh điểm đạt được xác định bằng cách sử dụng cơ sở dữ liệu trong phần mềm.
  3. Phân tích SEM-ED được thực hiện trên máy Carl Zeiss AG-EVO®50 có gắn kèm một thiết bị quang phổ Oxford INCA 200- Pentafet LZ4 dùng để phân tán tia X. Cả hai loại thiết bị dò tìm electron thứ cấp (SE) và electron tụt hậu (BSE) đã được sử dụng. Những mẫu rời rạc và mẫu tại phần chéo góc cũng được đưa vào buồng SEM nhưng không kiểm nghiệm kỹ hơn.
Hình ảnh về tình trạng xuống cấp của nhóm tháp Khương Mỹ, mặt phía Đông, bản vẽ của H.Parmentier (1909) và hiện tượng gió bào mòn gạch năm 2011

Cả hai thí nghiệm XRD và SEM được tiến hành tại phòng nghiên cứu hóa học SAMM, “G. Natta”, Đại học Millan.

Mẫu nghiên cứu huỳnh quang và phân tích SEM được đặt trên keo lạnh polyester. Tiếp đó, các mẫu được nghiền ướt và đánh bóng để làm lộ bề mặt, sau đó tiếp tục đánh bóng bằng giấy cát (600 hạt đến 4000 hạt) UNI 1176-2006, Normal 14/83. Phân tích được tiến hành để xác định các đặc tính hình học của các thành phần vật liệu và thu thập các thông tin cần thiết để đánh giá các kỹ thuật sản xuất.

Hình ảnh soi dưới kính hiển vi quang học, hình ảnh SEM tổng thể và chi tiết của tinh thể NaCl trên mẫu KMN1 ở phần chéo góc

Phân tích và kết quả

Để xác định đặc tính của vật liệu, các mẫu trích từ phần góc gần bề mặt thuộc mẫu KMN1, KMS1, KMS3, KMC1, KMNB1 và KMNM2 đã được sử dụng. Việc kiểm tra đã cho thấy thành phần khóang học của vật liệu đất sét đặc và xốp bị phủ mảng muối tại mẫu KMN1(hình 6), và được khẳng định bằng thử nghiệm SEM-ED. Mẫu KMS1 có các tầng xốp chứa đầy các chất giống như muối, gồm các hỗn hợp hữu cơ (địa y và vi sinh vật) và thể kết vô cơ (hình 7). Các phân tích SEM, XRD và phân tích hóa học đã cho thấy sự hiện diện với khối lượng lớn của natri clorua trong mẫu KMN1 và một ít trong các mẫu KMS1, KMC1 và KMNB1. Quang phổ của mẫu SEM-ED KMN1 trích từ một khu vực bị ăn mòn rất nghiêm trọng trên thân tháp, cho thấy khối lượng muối rất lớn (hình 6).

Ngược lại, mẫu KMS1(hình 7) cho thấy lượng muối ít hơn. Ở độ cao khác nhau thì lượng muối xuất hiện khác nhau; các mẫu được thu thập gần mặt đất (KMS1) cho thấy lượng muối thấp, khoảng 0.7%, trong khi mẫu lấy ở độ cao 150cm có lượng muối tới 1.6%. Đây là một dấu hiệu của tình trạng hư hại gây ra do hơi nước biển, bên cạnh nguyên nhân là do hiện tượng mao dẫn, kết quả trên đã khẳng định giả thuyết sự hư hại di tích ở các phần trên cao của khối xây do muối trong hơi nước biển, ngay cả đối với một di tích cách biển 17km ở khu vực Đông Nam Á.

Những viên gạch Chăm nguyên gốc qua thí nghiệm SEM cho thấy tinh thể giống với các viên gạch mới. Quang phổ EDS trên gạch mới khẳng định sự hiện diện của Mangan và ion dạng oxid có liên quan đến chất phụ gia.
Phân tích XRD trên mẫu gạch Chăm KMN1 cho thấy thành phần của thạch anh (SiO2), Ilit (KAl2(Si3AlO10)(OH)2; Anorthoclase (Na,K)(Si3Al)O8 và muối ăn halit (NaCl). Trái lại, mẫu gạch mới KMNB1 có thành phần tinh thể của thạch anh (SiO2); Anorthclase (Na,K)(Si3Al)O8; Muscovit (K,Na)(Al,Mg,Fe)2(Si3’1Al0,9)O và Halit (NaCl).

Hai loại đất sét lấy từ Hà Nội và tại khu vực trạm Kiểm Lâm, huyện Duy Xuyên, tỉnh Quảng Nam đã được kiểm nghiệm XRD và cũng có thành phần tinh thể thạch anh (SiO2), Muscovit (KAl2(AlSi3O10)(OH2) và cao lanh (Al2(SiO5)(OH)4), Muscovit, Anorthoclase và Ilit.

Thành phần của đất sét điển hình gồm có Muscovit, Anorthoclase và Ilit. Giả sử việc nung không chín đất sét sẽ để lại thành phần nguyên gốc trong đất, thì sự hiện diện của Muscovit nói lên rằng đất sét đó chưa được nung kỹ. Tuy nhiên, nếu thành phần nói trên là kết quả của sự kết rắn các chất bán dẫn hòa tan, thì hư hại trên di tích vẫn sẽ tiếp diễn.

Quang phổ SEM của mẫu KMS3 cho thấy một vài vùng sáng với ánh sáng tương phản, đây là dấu hiệu có sự hiện diện của Bari Sunphat (khẳng định bằng EDS), được cho là kết quả của sự can thiệp ở thế kỷ 19.

Kết luận

Phân tích các khối xây trên tháp Chăm cho thấy hư hại trên di tích có thể liên quan trực tiếp đến sự tác động do quá trình kết tinh của clorua natri, ngay cả khi di tích ở xa biển. Loại hư hại này có thể là trực tiếp do quá trình kết tinh của muối, cơ chế tỏa nhiệt, cũng có thể gián tiếp dưới vai trò xúc tác mà muối NaCl là yếu tố tham gia các phản ứng hóa học. Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã loại trừ các tác nhân gián tiếp của sự hư hại do không có những chất được tạo ra từ vữa và các dạng hư hại khác. Hai cơ chế hư hại chính nói trên hiện diện trên tất cả các tường tháp chúng tôi chọn nghiên cứu, ở phần trên, sự hiện diện của thực vật làm hư hại diễn ra nhanh thấy rõ, và ở độ cao 150cm so với mặt đất có biểu hiện bong tróc, hóa bột làm mất lớp liên kết bề mặt của gạch. Đây là hậu quả của quá trình kết tinh muối NaCl. NaCl tồn tại trong hơi nước biển và tiếp xúc với khối xây dưới dạng dung dịch muối hòa tan.

Khi khối xây bị khô, muối sẽ kết tinh, tạo ra áp lực dẫn đến vật liệu bị hóa bột. Sự hiện diện của thể kết do gạch nung không chín hoặc do hiện tượng hóa vảy cũng có thể đẩy nhanh quá trình này. Ngoài ra, các nhân tố khác, chẳng hạn như gió có thể góp phần vào quá trình hư hại ở các phần trên của tường tháp: với sự hiện diện của NaCl, sự bào mòn cơ học có vai trò đáng kể và tạo ra một hiệu ứng tổng hợp; sự tỏa nhiệt: Sự khác biệt giữa sự tỏa nhiệt của muối tinh khiết và gạch có thể gây ra áp lực cục bộ trong vật liệu. Sự tỏa nhiệt của gạch có nhiễm muối NaCl thường tương ứng với lượng muối trong vật liệu, và sự hút ẩm của gạch có sự hiện diện của muối thường cao hơn so với gạch nhiễm muối (Larsen và các tác giả khác, 1990). Thực vật xâm thực và thể kết của các chất vô cơ có thể sẽ được quan tâm đúng mức trong việc lập kế hoạch bảo quản di tích trong tương lai.

 

*C.Tedeschi, M. Taccia, S.Perego
Nguyễn Thượng Hỷ – Phan Thanh Tùng (dịch)
Nhóm tác giả thuộc Nhóm chuyên gia ĐH Milan-Ý
Chương trình hợp tác Việt Nam – Italia tu bổ tháp Mỹ Sơn
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 05-2023)