Większość artystów pracujących we wnętrzach i na elewacjach pałacu pozostaje anonimowa albo jest znana tylko z imienia. Zwłaszcza działania na zewnątrz pałacu spowite są mrokiem tajemnicy. To, co dotyczy rzeźby narzutowej, ograniczone jest do kilku wzmianek w listach Augustyna Wincentego Locciego do króla Jana III; płynące stąd wnioski można pokrótce ująć w paru zdaniach. Wiemy, że w sierpniu i wrześniu 1681 roku sztukator Antoni formował w zaprawie medaliony oraz zapewne biusty cezarów, a Jan ornamenty i obramienia okien od strony ogrodu. 19 września tego roku od strony dziedzińca boczne galerie arkadowe korpusu głównego pałacu były już na „wysokość chłopa podniesione”. Kilka lat później płyciny tych arkad ozdobił skulptor Króla Jegomości, niejaki Szwaner. Prace związane z dalszą rozbudową trwały zasadniczo aż do śmierci króla. Na zewnątrz i wewnątrz pałacu działało wielu artystów, wśród których znaczną grupę stanowili anonimowi rzeźbiarze sztukatorzy.
Pierwsze, bardziej dokładne badania zewnętrznych dekoracji pałacu w Wilanowie, podsumowane obszernym sprawozdaniem, wykonał na początku lat 20. XX wieku Jarosław Wojciechowski. Jakkolwiek nie zajmowano się wówczas korpusem głównym pałacu, lecz wystrojem rzeźbiarskim pochodzącym z czasów późniejszych – początku XVIII wieku, to wiele poczynionych wówczas obserwacji potwierdziło się w trakcie kompleksowej restauracji i badań przeprowadzonych w latach 2003–2009. Przede wszystkim – jak zauważył Wojciechowski – występowała niejednorodność składu zapraw pod względem proporcji, przy czym wyróżniono podstawowe składniki, jak wapno, piasek lub mielony piaskowiec i gips z domieszką kleju. Istotnym wypełniaczem była mączka ceglana, która spełniała rolę puzzolany, nadając zaprawie własności hydrauliczne – stąd zwana była sztuczną puzzolaną. Mączka, podobnie jak gips, przyśpieszała nie tyle szybsze wiązanie, co polepszała siłę wiążącą i twardnienie zaprawy.
Z barwą mączki ceglanej wiąże się też proceder wykorzystywania jej jako środka zastępczego, o którym warto tu wspomnieć ze względu na nawiązywanie do imperialnej sztuki Rzymu. Chodzi o podrabianie mieloną cegłą barwników: mini i cynobru. Zwłaszcza cynober niezwykle ceniono już od starożytności. Był on najdroższym pigmentem rzymskim, stosowanym w ambitnych pracach, z których najbardziej spektakularną jest fresk w pompejańskiej Willi Tajemnic. Zarówno Witruwiusz, jak i Pliniusz zauważają, że czysty barwnik cynobrowy, podobnie jak minia, nie nadaje się do malowania na zewnątrz, gdyż czernieje pod wpływem czynników atmosferycznych. Mimo tych mankamentów używanie cennego cynobru wskazywało na wielkie bogactwo, toteż nie zawsze mogąc sobie na to pozwolić, z chęci podniesienia prestiżu zastępowano go innymi barwnikami. Wspomina o tym Cennino Cennini, mówiąc, iż „często go fałszują już to miną, już to cegłą tłuczoną”. Zazwyczaj posługiwano się tym barwnikiem lub jego podróbkami w dziełach malarstwa, nie są natomiast znane przykłady barwienia zaprawy sztukatorskiej, zapewne ze względów finansowych. Jedynie Witruwiusz podaje przykład pomalowania zwykłych tynków zewnętrznych ścian perystylu przez pisarza Faberiusa w jego domu na Awentynie. Niestety, barwa zaczęła zmieniać się już po 30 dniach, a ściany pokryły się plamami.
W przypadku wilanowskich dekoracji na elewacjach cynobru wprawdzie nie użyto, lecz również tu możemy dostrzec potrzebę kreowania społecznego prestiżu poprzez zamienniki, w czym swoją rolę odgrywała barwa tłuczonej cegły oraz minia. Ta rola miała polegać na imitacji czerwonego kamienia.
Korzystanie z pewnych materiałów, niejako zarezerwowanych dla najwyższych sfer, miało znaczenie ideowe, a jego celem było ukazanie bogactwa i dostojeństwa władcy. Potwierdzeniem takiej strategii podkreślania królewskiego majestatu jest fakt, iż nawet tymczasową dekorację – drewnianą, obitą płótnem bramę triumfalną wystawioną na wjazd Jana III do Warszawy w 1677 roku – pomalowano w imitację czerwonego marmuru jako materiału zarezerwowanego dla królewskiej godności. Jednak w przypadku rzeźbiarskiego wystroju pałacu wilanowskiego jest bardziej prawdopodobne, że barwienie niektórych dekoracji dużą ilością mielonej cegły miało nawiązywać do barwy porfiru. Czerwony kolor popiersi cesarskich i płaskorzeźb w archiwoltach dwóch łuków triumfalnych na fasadzie miał zatem z dużym prawdopodobieństwem odpowiadać charakterystyce porfiru cesarskiego, nie zaś taniej terakoty, ponieważ ideowo kłóciło się to z królewską godnością i z ukazywaniem majestatu władzy. Czerwony porfir utożsamiany był z władzą królewską i miał specjalny, elitarny status do tego stopnia, że rzadko występujące złoża były zarezerwowane dla cesarskich zamówień. Ten niełatwy w obróbce materiał sprawiał wiele problemów, był twardy i odporny, ale właśnie z tego względu powstałe z niego wyroby miały większą wartość w oczach ludzi „rozumiejących trudności wykonania, spowodowane twardością kamienia”. Ponieważ w Polsce porfir afrykański był nieosiągalny i niezwykle kosztowny, w bardziej prestiżowych realizacjach zastępowano go marmurami chęcińskimi. W niektórych przypadkach podrabiania kamienia malowanie na ciemnowiśniowy kolor mogło imitować barwę czerwonego porfiru i być niejako jego substytutem.
O chęci upodobnienia do tej barwy i potrzebie jej uzyskania świadczy bardzo duża ilość mielonej cegły w przypowierzchniowych warstwach rzeźb popiersi cesarzy rzymskich i w scenach sześciu archiwolt korpusu głównego, w takim stopniu niespotykana w pozostałych dekoracjach. Tania, dająca łatwe możliwości formowania, zabarwiona zaprawa okazała się idealnym rozwiązaniem. Mozolność pracy w kamieniu i brak dostatecznej ilości wykwalifikowanych rzeźbiarzy, poza zasadniczą sprawą kosztów, zmuszały do uciekania się do imitacji, która miała jednak nawiązywać do tradycji szlachetnego porfiru afrykańskiego. Jeszcze inną kwestią jest pośpiech, z jakim starano się budować i wykańczać pałac, urządzany w zasadzie pod koniec życia króla.
Mimo pozorowanej szlachetnej jakości materiałów poczynione badania i obserwacje wskazują na niejednolitość składu mieszanin użytych do formowania rzeźbiarskich dekoracji. Okazało się również, że w archiwoltach bardziej płaskie fragmenty reliefów nakładano – według uprzednio zarysowanego węglem szkicu – na gładko zatynkowanym tle, bez stosowania nasieków czy umocnień, i – jak się zdaje – często nie mocząc tynku, przez co odspajały się od podłoża. Bardziej wypukłe formy, podbudowywane kawałkami cegieł i łamaną dachówką, osadzane były na rdzewiejących z czasem gwoździach i drutach. Wnętrza rzeźb wypełniano kawałkami opalanego drewna, pochodzącego prawdopodobnie z topoli lub dębu. Tak preparowane, zwęglone drewno nie przyjmowało wilgoci i nie próchniało. Solidnie wypełnione węglem oryginalne popiersia imperatorów pokazują fotografie, na których widzimy nałożoną, stosunkowo cienką „skorupę” zaprawy. Podłużne szczapy służyły także jako elementy konstrukcyjne, np. między głową a torsem.
Zarówno w XVII-wiecznych dekoracjach korpusu głównego, jak i wystroju skrzydeł bocznych z początku XVIII wieku do wapiennych zapraw dodawano gips. Ułatwiał on i przyśpieszał prace, gdyż w początkowym stadium powodował dość szybkie sztywnienie masy, lecz w warunkach zewnętrznych obniżał jednocześnie jakość i odporność zaprawy. Używanie gipsu, podyktowane potrzebą szybszego przejścia do następnego etapu prac, miało istotne znaczenie w nabudowywaniu bardzo wypukłych form.
Ustalenie składu mineralnego zapraw w przypadku bardzo wypukłych dekoracji, szczególnie dawnych płaskorzeźb batalistycznych, jest dziś niemożliwe, ponieważ żadna z nich się nie zachowała. Identyfikację można wykonać jedynie w przybliżonym zakresie, bazując na zebranych materiałach z dawniejszych dokumentacji konserwatorskich oraz współczesnych badaniach porównawczych, które wykonano na podstawie prób pobranych z innych elementów wystroju pałacu. Analizy nie ułatwia też fakt, że przez lata dekoracje zewnętrzne ulegały wielokrotnym zabiegom konsolidacji, naprawom i daleko posuniętym uzupełnieniom w stopniu, w którym trudno niekiedy rozpoznać i oddzielić zaprawy oryginalne od wtórnych. Spotykamy zatem różne rodzaje zapraw i rozwiązania kolorystyczne uzupełnień w zależności od obranych koncepcji konserwatorskich.
Poza kilkoma seriami motywów dekoracyjnych, barwionych oryginalnie na czerwono w najstarszej, środkowej części pałacu, barwa zaprawy zdobień zbliżona jest do odcieni lekko różowych lub kremowych. Występujące tam okruchy ceramiczne i węgiel drzewny nie były użyte w celu zmiany barwy, lecz spełniały rolę stabilizatora wilgotności. Ma to istotne znaczenie dla zmniejszenia kurczliwości zaprawy podczas twardnienia oraz dla zwiększenia jej wytrzymałości. Mielona cegła miała nadawać mieszance własności hydrauliczne i zastępować pył wulkaniczny, który w Polsce był nieosiągalny. Koloryt większości dekoracji, w tym nieistniejących już dziś, dużych scen batalistycznych na attyce, nosił zatem odcień jasny, kremoworóżowy. Jeśli ich materiał zawierał domieszkę tłuczonej cegły, to tylko z powyższych powodów.
W 1994 roku podjęto prace nad rekonstrukcją jednej ze scen z attyki pałacu – Wyprawa na czambuły tatarskie. Podczas demontażu modernistycznej formy reliefu z oryginalnych resztek zaprawy odkryto jedynie fragmenty warstwy przyściennej. Pożądanego wypełniacza w postaci domieszki cegły tam jednak nie zidentyfikowano, zdarzały się natomiast części pochodzenia roślinnego: fragmenty drewna i łodyg. Zabarwienie tej warstwy było kremowopopielate. Okazało się, że podstawowe spoiwo stanowił gips, toteż zaprawę określono jako gipsową z dodatkiem wapna, ponieważ zawartość półwodnego siarczanu wapnia była znacznie większa od zawartości wapna. Struktura tej zaprawy wykazywała małą zwięzłość, kruszyła się pod słabym naciskiem i charakteryzowała się znaczną porowatością. Duża ilość zaczynu gipsowego świadczy o zamiarze szybkiego stworzenia szkicowej podbudowy czy korpusu, na którym wypracowywano rzeźbiarskie detale. Nabudowywanie trzonu dla bardzo wypukłych form odbywało się zapewne wieloetapowo, a ilość nakładanych warstw była zależna od głębokości reliefu.
Tymczasem w ramach prac konserwatorskich, prowadzonych w 1962 roku między innymi przy supraportach z prawie pełnoplastycznymi puttami od strony ogrodu, odkryto tylko trzy zasadnicze warstwy struktury narzutu. Zaprawa spodnia, najgłębsza, składała się z wapna i piasku, którego część stanowił żwir. Użyto także gruzu ceglanego do wypełnienia podbudowy. Warstwa pośrednia, określająca kształty kompozycji, charakteryzowała się bardziej miałką strukturą, a warstwa wykańczająca powierzchnię formy rzeźbiarskiej zawierała bardzo drobny wypełniacz bez domieszki mielonej cegły, co jest trochę zaskakujące. Być może makroskopowo jej nie dostrzeżono. Nie wspomniano też o obecności gipsu w żadnej z warstw, ale bez badań mikrochemicznych jest on niedostrzegalny i może być postrzegany jako spoiwo wapienne. Dodatek gipsu był jednak w tych dekoracjach pałacu dość powszechny. Odkryto go w badanych, bardzo płaskich reliefach medalionów, a nawet w oryginalnych XVII-wiecznych tynkach zewnętrznych.
Płasko modelowane medaliony ze środka elewacji w znacznej mierze zachowały się w formie oryginalnej. Elewacja wschodnia jest najmniej narażona na działanie wiatru i zacinającego deszczu. Dodatkowo dwa symetrycznie okalające ścianę ryzality tworzą zaciszną niszę, a okazały gzyms, pod którym ulokowano medaliony, stanowił dość istotną ochronę przed działaniem warunków atmosferycznych. Po oczyszczeniu widoczne były obszary wtórnych uzupełnień oraz najbardziej interesujące z racji usytuowania w miejscu osłoniętym, dobrze zachowane ostatnie warstwy modelunku.
Analiza ilościowa mineralnego składu tych zapraw wykazała, iż dominującym składnikiem jest kwarc (piasek) jako wypełniacz. Istotnym dopełnieniem były także tłuczeń ceglany i nieznaczne ilości węgla drzewnego. Frakcje warstw wewnętrznych odznaczają się grubszym i gorszym stopniem selekcji niż dobrze wysortowane wypełniacze dla mieszanek przeznaczonych do ostatecznego modelunku. Wielkość ziaren kwarcowych dla tych warstw powierzchniowych znajduje się na granicy odpowiadającej charakterystyce mielonego piaskowca. Generalnie we wszystkich przeanalizowanych próbach jest prawie dwa razy więcej piasku niż podstawowego spoiwa wapiennego, zaś sumaryczny stosunek spoiw do wypełniaczy wahał się od 30,2 do 54,5%. Należy zaznaczyć, że ważnym dodatkiem do wapiennego spoiwa był gips, którego ilości są zmienne w poszczególnych, kolejno nakładanych warstwach.
Prawidłowością jednak było to, iż warstwy powierzchniowe zawierały zawsze mniej gipsu niż masy podkładowe. Zwiększony dodatek gipsu w podbudowie wewnętrznej, która stanowiła swego rodzaju konstrukcję, miał na celu przyśpieszenie wiązania zaprawy, zaś jego niewielka ilość w warstwie wykańczającej pozwalała zyskać na czasie podczas ostatecznego modelunku. Tu stosowano nawet różne opóźniacze wiązania, które jednocześnie zwiększały plastyczność masy, a w efekcie końcowym spoistość, twardość i odporność. Obecność opóźniaczy – dekstryn – stwierdzono dzięki badaniom mikrochemicznym oraz analizie w podczerwieni.
Inną prawidłowością jest zawsze większa zawartość wapna w warstwach powierzchniowych w porównaniu do warstw głębszych, wynosząca od minimalnych 2,6% do maksymalnych 17,2%.
Wszystkie przebadane próbki zawierały węgiel drzewny i mieloną ceramikę w różnych ilościach, toteż odmienne były też barwne odcienie zapraw. Z reguły dekoracje od strony ogrodu miały kremoworóżową barwę, ale zdarzały się detale dość intensywnie różowe. Najwięcej ceglanego tłucznia znajdowało się jednak w zaprawie pochodzącej z badanych imperatorów i z półkolistych reliefów najstarszej części pałacu od strony dziedzińca.
Podczas prac konserwatorskich prowadzonych w 1963 roku także zaobserwowano, że warstwy głębsze w oryginalnych popiersiach imperatorów zawierały pewną ilość piasku, która zmniejszała się na korzyść kruszywa ceglanego w warstwach zewnętrznych. W popiersiach imperatorów, jak i w płaskorzeźbach archiwolt centralnej części pałacu od frontu (łuki triumfalne) nie dziwi tak znaczna ilość cegły, bowiem miała ona – prócz innych korzystnych własności – czerwoną barwę. Trudno jednak biel wapiennego spoiwa stłumić ceglanym wypełniaczem w zadowalającym stopniu. Dlatego wspomagano się techniką podmalowywania, wcierając w wilgotną powierzchnię czerwony barwnik, uprzednio rozprowadzony w wodzie wapiennej lub kazeinowo-wapiennej. Pomimo bardzo dużej zawartości mielonej cegły, widocznej pod popielatą patyną, przetarto w ten sposób reliefy w łukach triumfalnych, używając mieszaniny mini i czerwieni żelazowej. Ślady tych barwników zidentyfikowano podczas badań instrumentalnych w 2005 roku. Pozostałości ciemnej, niemal czarnej warstwy w postaci siarczku ołowiu odkryto na najstarszych medalionach. To oznacza, że w dekoracjach, które miały być prezentowane jako czerwone (imitować porfir lub marmur), stosowano minię. Minia po pewnym czasie spowodowała ściemnienie powierzchownej warstwy, bowiem jej wadą jest wrażliwość na działanie siarkowodoru. Przebarwienie to następuje wskutek powstawania siarczku ołowiu. O czernieniu minii na powietrzu i utracie czerwonego koloru wspominał już Cennini, twierdząc, iż z tego powodu nadaje się tylko do malowania we wnętrzach.
W badanych próbach zidentyfikowano znaczne ilości dekstryn i różnych środków zabezpieczających przed niszczeniem atmosferycznym. Dekstryny mogły zostać wprowadzone do zapraw na etapie formowania dekoracji, pokosty i substancje kazeinowe jako środki ochronne zarówno tuż po ukończeniu, jak i podczas licznych restauracji. Zidentyfikowano także związki olejno-żywiczne. O występowaniu tych substancji świadczy znaczne napięcie powierzchniowe materiału badanych próbek.
Na przestrzeni wielu lat, w trakcie zabiegów konserwatorskich z koniczności wprowadzano różne preparaty. Po wojnie, w zakrojonej na dość szeroką skalę restauracji, wykonywano prace na elewacjach pałacu. Rozpoczęto od dwóch XVII-wiecznych supraport znajdujących się nad wejściem prowadzącym do gabinetów króla i królowej od strony ogrodu. Wtedy zaobserwowano, że wystrój rzeźbiarski pokryty był warstwą wapienno-klejową. Powierzchnia złuszczała się, a miejscami była odparzona.
Potwierdza się zatem obecność substancji klejowych i żywicznych, zidentyfikowanych w trakcie badań, a wprowadzanych podczas wielokrotnych przemalowań, różnych odnowień i zabiegów konsolidacji w celu ratowania pozostałych, oryginalnych elementów wystroju. Należy jednak przyznać, że dzięki tym wysiłkom zapobiegawczym wiele zewnętrznych dekoracji pałacu wilanowskiego ocalało w części lub niemal w całości.
Można ostatecznie stwierdzić, że zaprawy XVII-wieczne oraz te z początku XVIII wieku były zbliżone pod względem składu, choć nie przejmowano się zbytnio proporcjami składników. Okruchy niedopałów wapiennych zdradzają też niezbyt wysoką jakość użytego wapna. Nie dbano również o solidne mocowanie elementów wystroju do podłoża, zwłaszcza płaskich reliefów. W niektórych przypadkach trudno wytłumaczyć znaczną niejednorodność składu zapraw i różnice kolorystyczne. Jednak by rzetelnie to ocenić, należałoby przeanalizować oryginalne zaprawy ze wszystkich elementów dekoracji pałacu. Możliwe, że niektóre z nich zostały wykonane na nowo, ponieważ nieprzytwierdzone kołkami do ściany odpadły całkowicie i zostały zastąpione już znacznie wcześniej, nawet w XVIII lub XIX wieku. Jakimś obrazem tego stanu rzeczy są powojenne fotografie, które ukazują odspajające się, niekiedy razem z tynkami, dekoracje.
Z powodu złego stanu zachowania sukcesywnie zastępowano je odlewami cementowymi. Pozostałe, w miarę możliwości, ratowano różnymi, dostępnymi w danym czasie środkami.
Na przestrzeni trzech wieków elewacje wielokrotnie naprawiano. Skalę tych napraw można było prześledzić po usunięciu warstw malarskich, podczas prowadzenia kompleksowej konserwacji pałacu w latach 2003–2009. Liczne te naprawy uwidoczniły się po zabiegach oczyszczania mikropiaskarkami. Okazało się, że do późniejszych zapraw dodawano większe ilości cegły lub barwnika, by uzyskać bardziej czerwony kolor. Uzupełnienia o czerwieńszej tonacji ilustrują wybrane fotografie, wykonane po fazie oczyszczania, lecz wydają się to być już uzupełnienia XX-wieczne i nie były one przedmiotem badania.
