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故宫建筑里的神奇材料:传统复合灰浆——访浙江大学文物保护材料

发布时间:2022-09-28 04:53:07 来源:欧宝体育app官方网站登录入口 作者:欧宝体育官方在线注册

  我国在古代数千年的建筑实践中,发明了许多被称为“复合灰浆”的建筑胶凝材料,如糯米灰浆、桐油灰浆、蛋清灰浆等,不仅满足了当时人们修筑建筑的需求,也使许多古代建筑物和装饰艺术能够留存至今。

  这些经历了千百年时间考验的古代灰浆,不仅是建筑材料史的宝贵证物,而且由于它们优良的耐久性和与古建筑本体的相容性,如今又成为文物保护领域优先考虑使用的修复保护材料,并启迪新一代“绿色低碳”建筑材料的诞生。

  近日,本报采访了浙江大学文物保护材料实验室张秉坚教授,请他介绍灰浆作为最重要的古代建筑材料之一,是如何被运用于故宫建筑的营造中,以及传统灰浆在当下文物保护工作中如何应用。

  张秉坚:传统灰浆又称历史灰浆、古代灰浆,是19世纪硅酸盐水泥(波特兰水泥)出现以前灰浆的统称。传统灰浆是由胶凝材料、填料,以及一些改善性能的添加物组成的,能够自动硬化,可将散粒状或块状材料黏结成整体,使之具有一定机械强度的建筑材料。

  新石器时代我国就开始使用灰浆材料,最初的灰浆是黏土等无机材料,经过发展形成了有机—无机—加筋复合材料。石灰灰浆在中国已有5000多年的历史,由于中国火山少,农耕文明发展早,建筑灰浆的性能改善大多是以石灰为胶结物,添加一些农、林、畜牧业产品,例如糯米浆、桐油、血料、蛋清、糖类、动物胶,以及动植物纤维等有机成分,且代代相传,不断发展,如今许多传统配方都处于现代实验室检测的最佳性能范围。

  故宫传统建筑灰浆种类很多,其中瓦顶灰浆是各类灰浆中质量要求最高、取样最困难、研究报道最少的一类,让文物保护界和相关学术界倍感神秘。请您讲一讲故宫建筑瓦顶灰浆取样和综合检测后都有什么新的发现。

  张秉坚:结合“养心殿研究性保护项目”和国家“十三五”重点研发课题,由北京故宫博物院古建部牵头,对故宫养心殿建筑群的各类典型灰浆进行了取样,浙江大学文物保护材料实验室接受委托进行分析研究,旨在为故宫古建筑的保护与原真性修缮提供基础数据。

  我们对故宫养心殿后殿的燕喜堂、体顺堂和东围房的瓦顶灰浆取样较全,包括泥背、灰背、底瓦泥、盖瓦泥和夹垄灰等都进行了取样。这些灰浆样品的检测可为了解故宫古建筑苫背传统工艺提供比较详细的数据。

  取样后,我们对样品的密度、吸水率、孔隙率和强度等物理性质进行测试,同时测试分析样品的矿物组成,分析观察样品的微观结构,并检测样品的钙含量、泥砂含量和粒径分布,以及样品中含有的纤维种类等。

  泥背灰浆的钙含量约为30%,且钙泥砂质量比接近1∶1∶1,灰浆中的有机添加物均为蛋白质类物质,且发现细小黄色纤维,初步断定为黄麻。泥背灰浆中添加的黏土存在钠长石、云母、斜绿泥石等成分。经对比,发现泥背灰浆表观密度较大,明显高于其他种类的灰浆样品,同时泥背灰浆的平均吸水率最低,表明其防水性能较优越。泥背灰浆在制作时石灰、黏土、砂的含量比例为1∶1∶1,黏土可能取自周边含有白云母、斜绿泥石和钠长石等风化产物的沉积泥,且灰浆在制作时掺入了动物胶和黄麻纤维。

  检测发现灰背灰浆制作时大约添加了70%左右的石灰、5%左右的砂和25%左右的黏土混合而成,并添加有动物胶(或淀粉)和纤维(推断燕喜堂灰背使用的是黄麻纤维,体顺堂和东围房的纤维可能是草纤维)。不同建筑使用的黏土来源稍有不同。

  化学分析结果表明,底瓦泥灰浆样品中均存在蛋白质类成分,但蛋白质种类未确定;此外,在燕喜堂底瓦泥灰浆中还检测出淀粉。另外,底瓦泥灰浆样品中没有发现纤维的添加。底瓦泥灰浆样品的各个性能指数表现得较平均,防水率在各个种类的瓦顶灰浆中排名第二。

  通过对养心殿建筑瓦顶灰浆的检测和分析,请您介绍一下故宫建筑瓦顶灰浆的材料构成及屋顶灰作施工工艺。

  张秉坚:屋顶灰作施工的操作过程称为“苫背”。苫背一般从木望板开始,随后在木望板上涂刷一层1~2cm 厚的护板灰,据记载由泼灰与麻刀(一种纤维材料)加水调制而成,其比例约为2∶1。

  护板灰上施泥背。分析结果表明,泥背灰浆中石灰、黏土、砂含量接近1∶1∶1,黏土可能取自周边含有白云母、斜绿泥石和钠长石等风化矿物的沉积泥,且灰浆在制作时掺入了动物胶和麻刀;泥背灰浆涂抹在护板灰层上,厚度为2~3cm,抹平,完全固化后再抹第二层。

  泥背上是两层灰背。综合分析结果表明,灰背灰浆含有70%左右的石灰、5%左右的砂和25%左右的黏土,并添加有动物胶(或糯米浆)及麻刀或草类纤维。

  灰背层上方是底瓦泥层。不同建筑的底瓦泥工艺各不相同——燕喜堂屋顶的底瓦泥灰浆有两层,表层底瓦泥中石灰、砂、土的比例为48∶47∶5,底层底瓦泥中石灰、砂、土的比例为33∶30∶37;灰浆中添加有蛋白质,从成分分析看可能使用了宫廷灰背的铁卤盐做法。东围房底瓦泥只有一层,其石灰、砂、土的比例为33∶40∶27,制作时加入了蛋白质类胶结物。体顺堂底瓦泥也只有一层,其中石灰、砂、土的比例为83∶2∶15,制作时加入了蛋白质类胶结物。

  盖瓦泥层位于底瓦泥层上方,半圆形筒瓦之下。燕喜堂和东围房的盖瓦泥石灰含量为38%,砂、土的含量分别为48%和14%、33%和29%,其中燕喜堂盖瓦泥中添加有淀粉和动物胶。体顺堂盖瓦泥制作工艺与前两处相比差异较大,其中石灰含量极高,达83%,砂和土含量分别为2%、15%,盖瓦泥中添加有蛋白质类胶结物。

  夹垄是指将筒瓦两侧边与底瓦之间的空档用夹垄灰填满抹平。检测发现夹垄灰石灰含量高,在74%左右;燕喜堂夹垄灰中的砂较少,仅含0.4%,黏土含量为25.6%;东围房夹垄灰中砂含量为8%,黏土含量为18%。夹垄灰很可能使用的是富含氧化铁的红土,在制作时添加有草纤维,含有蛋白质,其中东围房夹垄灰中含有卵清蛋白。

  张秉坚:我们曾对北京故宫内廷西六宫之一的长春宫北后殿——怡情书史所使用的灰浆进行取样检测,取样对象包括修补灰、填堵灰、墙面抹灰、山墙抹灰等在内的10个灰浆样品。

  井亭石槛墙修补灰取样 故宫博物院古建部和浙江大学文物保护材料实验室/供图

  各灰浆的密度分布在0.9~1.2g/cm³,吸水率数值在42%~66%,硬度在229~296HLD。灰浆成分配比不同使得其性能存在明显差别。

  灰浆全部以石灰为胶结材料,以砂和土为骨料制成。检测发现灰浆碳酸钙含量在59%~82%,砂含量在1.0%~14%,泥土含量在1.3%~33%。其中,填堵灰的碳酸钙含量最高,砂和泥的比例最低;墙面抹灰,尤其是底层灰的碳酸钙含量最低,砂和泥的比例相对较高;掺入的砂粒和泥土的粒径分布不一。大部分灰浆中添加有纤维,最高含量达4.6%,主要为苎麻、亚麻和毛纤维。

  化学分析检测结果表明,至少有9个灰浆样品中添加了淀粉成分,很可能是糯米浆;9个样品中含有蛋白质,进一步免疫检测发现其中有5个为动物胶,1个为蛋清。

  总体看,这些灰浆因用途不同在原料种类和制作工艺上存在一定差异,基本上是以石灰为主要胶结料;掺入了适量的一定粒径的砂和泥土作为性能改进填料,砂和泥的种类经过刻意选择;以淀粉、动物胶或蛋清为添加剂,以改善灰浆的黏结性能和防水性能;掺有2cm以下的短麻、毛纤维作为灰浆的抗裂材料。应该说都是按照特定比例配制的传统灰浆。

  张秉坚:通过研究,我们已经初步了解传统复合灰浆具备良好性能的基本原理,并能够通过现代技术,对传统复合灰浆进行优化和改进研究。

  以糯米灰浆为例,针对传统糯米灰浆“工艺复杂、固化慢、收缩较大、强度偏低”的缺陷,我们在传统糯米灰浆原理的基础上,通过氢氧化钙原料制备工艺改进、糯米预糊化加工、集料恰当级配、添加植物纤维和减水剂等,使糯米灰浆克服传统工艺的缺陷,研制出改良糯米灰浆产品,并已应用于传统建筑的修复和加固中。例如:改良糯米灰浆产品已应用于浙江省温州市龙湾区国安寺塔的全塔嵌补灌浆加固、浙江省绍兴市新昌县大佛寺石经幢的灌浆加固、浙江省金华市浦江县龙德寺塔的局部砖缝嵌补修复、浙江省嵊州市嵊县古城墙的局部条石摆砌、河北省秦皇岛市抚宁县板厂峪长城的局部城砖摆砌、杭州市闸口白塔的塔身层间灌浆加固等。目前看,改良糯米灰浆修复加固效果良好,长期效果正在监测观察中,经过8~10年的跟踪监测和效果评估后,有望得到更广泛的应用。

  《中国传统复合灰浆》是浙江大学文物保护材料实验室10多年研究成果的总结,对中国传统复合灰浆的特点、地域分布、应用历史、产生与衰落的原因等内容进行了细致的阐述,并利用现代技术开发了三个系列改良糯米灰浆产品,在全国10多处古建筑的保护修复工程中进行了示范应用。

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