故宮南三所西所屋頂灰漿化學(xué)組成及性能比較研究*

高 峰

(故宮博物院 北京 100000)

故宮南三所(亦稱擷芳殿,明代稱慈慶宮、端本宮)位于紫禁城東部,寧壽宮以南,為一組殿宇的總稱。在清乾隆十一年(1746年)改建而成。三所(東所、中所、西所)并列,共用一座宮門,皆南向,各三進(jìn)院落,且每進(jìn)院落各有一座正殿及東西配殿、耳房等,共計(jì)古建筑76座,總占地約一萬多平方米。南三所屋頂多覆綠琉璃瓦,屋頂灰漿是否與其它屋頂灰漿材料及工藝相同,至今尚未見有明確研究。

人們習(xí)慣上將水泥出現(xiàn)以前的建筑中所用砂漿統(tǒng)稱為傳統(tǒng)砂漿、古代砂漿或歷史砂漿[1-2]。盡管歷史上最早使用的是粘土砂漿,但是得以大量、廣泛應(yīng)用的卻是石灰基砂漿,又稱“傳統(tǒng)灰漿”,這種傳統(tǒng)灰漿在人類建筑發(fā)展史上發(fā)揮過重要作用,直到十九世紀(jì)末才逐漸被波特蘭水泥所替代[3],因?yàn)樗嗑哂锌焖倌毯透邫C(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。然而,水泥是否適合加固和保護(hù)歷史建筑,目前在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域存在很大爭(zhēng)議[4]。一些學(xué)者指出“水泥是對(duì)古建筑維修工程的最大威脅”[5-8],應(yīng)該因地制宜,根據(jù)被加固和保護(hù)的古建筑的特點(diǎn)選擇合適的保護(hù)材料[9]。在中國大多數(shù)不可移動(dòng)的歷史文物如宮殿、古城墻和石塔中,都使用了石灰基砂漿,它們經(jīng)過數(shù)千年的風(fēng)雨侵蝕后仍保持完好,證明了傳統(tǒng)石灰基砂漿優(yōu)良的強(qiáng)度和耐久性[10]。

古代建筑工程中,石灰基砂漿起著將散粒狀材料(如砂、石子)或塊狀材料(如磚塊、石塊)粘結(jié)成整體的重要作用[11]。我國作為最早燒制和利用石灰的國家之一,流傳下來的灰漿有“九灰十八漿”之說,主要用于砌筑、勾縫、抹面、苫背和修飾等[12]。為了增加灰漿性能,古人在制作灰漿時(shí)有時(shí)會(huì)添加各種有機(jī)物,如糯米漿、動(dòng)物血、植物汁液、桐油、蛋清、麻刀等[13,16-18]。

目前,對(duì)傳統(tǒng)灰漿的研究主要包括四方面:一是灰漿的組成材料,包括膠凝材料、骨料、摻合料和添加劑等;二是各種原料的添加比例;三是灰漿的物理性質(zhì),包括密度、吸水率和孔隙率等;四是灰漿的機(jī)械性能,包括硬度、抗壓強(qiáng)度和塑性等[2]。胡悅等[22]通過改變骨料/灰的比值研究灰漿性能的變化,結(jié)果表明骨料與灰的比值控制在2∶1以下,對(duì)改善灰漿的抗壓強(qiáng)度效果最佳。魏國鋒等[23]探討了石灰種類對(duì)糯米灰漿性能的影響,采用氧化鈣制備的灰漿具有更好的抗壓強(qiáng)度和表面硬度。由于時(shí)代久遠(yuǎn),現(xiàn)存灰漿的物理性質(zhì)和機(jī)械性能大多已發(fā)生了變化,但這些信息對(duì)古建保護(hù)工程有參考意義,同時(shí)對(duì)研究傳統(tǒng)灰漿的材料組成和原料配比有重要的借鑒意義[19]。2002年故宮拉開“百年大修”工程帷幕,南三所西所區(qū)古建筑群的保護(hù)工程即其中重要項(xiàng)目之一。本文采用體視顯微鏡、XRD、XRF、硬度計(jì)等對(duì)南三所修繕過程中采集的古代屋頂瓦面灰漿樣品進(jìn)行成分和性能測(cè)試,獲得南三所灰漿原材料信息及配比,找到原材料種類、含量與物理機(jī)械性能的相關(guān)性,為南三所古建筑群研究型修繕,原材料、原工藝修繕原則的體現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2 樣品及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

樣品取自故宮南三所西所屋頂,包括灰背和瓦瓦泥(灰)共八類灰漿。實(shí)驗(yàn)過程中選取完整的樣品進(jìn)行檢測(cè),在不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下,重復(fù)利用樣品。

2.2 方法與表征

(1)表面形貌。采用Anyty體視顯微鏡觀察灰漿樣品的表面形貌,放大倍數(shù)200倍。

(2)結(jié)晶物相分析。用研缽將樣品研磨成粉末,采用Rigaku D/max2000型X 射線衍射儀測(cè)定灰漿樣品的礦物結(jié)晶相,Cu靶,管電壓為40 k V,掃描角度5°～75°,掃描速率為5°/min。

(3)元素分析。采用EDX-800HS 大腔體X 射線熒光分析儀測(cè)定多個(gè)同類型灰漿樣品的元素組成及含量,取平均值進(jìn)行比較,工作電壓20 k V,工作電流20 m A,測(cè)試模式Easy-Air-Oxide。

(4)機(jī)械性能檢測(cè)。對(duì)南三所灰漿樣品的表面硬度,用里氏硬度作為其表征指標(biāo)。測(cè)試中采用Leeb140HL計(jì)測(cè)定灰漿樣品的硬度值,測(cè)試模式為平均模式,測(cè)量次數(shù)為3次;用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面,得到里氏硬度值。

(5)物理性能檢測(cè)。采用MD/MDG 密度測(cè)定裝置,檢測(cè)灰漿樣品的密度、吸水率及孔隙率,相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如表1所示。測(cè)定步驟如下:

表1 吸水性能相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式Tab.1 Calculation formulas of relevant parameters of water absorption

①去除樣品表面污染物,用超聲波清洗機(jī)清洗表面,然后放入干燥箱,在50～60℃下干燥至恒重,移入干燥器冷卻至室溫。

②干燥后的樣品置于密度儀的測(cè)量臺(tái)上稱重,穩(wěn)定后的數(shù)值即樣品在空氣中的重量值,記作R1。

③樣品防水處理。將樣品放入真空抽取機(jī)進(jìn)行第一次抽真空,然后往真空槽內(nèi)注入加熱后的去離子水,直至浸沒樣品,再開始第二次抽真空,直到無氣泡產(chǎn)生為止。

④將防水處理后的樣品置于密度儀的測(cè)量臺(tái)上稱重,樣品在空氣中數(shù)值穩(wěn)定后的重量值,記作R2。

⑤將防水處理后的樣品放入密度儀的水槽中稱重,樣品在水中數(shù)值穩(wěn)定后的重量值,記作R3。

⑥樣品密度及孔隙率的計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品分層作法及表面形貌

所取八類灰漿樣品常見于宮廷建筑的屋頂瓦面,其從上至下的分層作法如圖1 所示[15]。其中,護(hù)板灰、焦渣背、泥背和青灰背屬于灰背,底瓦泥、蓋瓦泥、夾壟灰和熊頭灰則屬于瓦瓦泥(灰)。

圖1 屋頂瓦面的灰漿分層作法Fig.1 The practice of mortar for roof tiles

南三所各類型灰漿樣品的微觀形貌,如圖2所示。

由圖2可知,灰漿樣品總體呈灰色,表面有棕色附著物,推測(cè)為積塵;部分樣品摻雜白色碳酸鈣或黑色焦渣團(tuán)聚體。灰漿樣品中明顯有麻刀成分,其摻在石灰中起增強(qiáng)材料連接、防裂及提高強(qiáng)度的作用。古代建造房子時(shí)將麻刀摻入泥漿中,以提高墻體韌度、磚的連接性能。研究表明傳統(tǒng)灰漿中的有機(jī)添加劑,起著生物礦化過程中的有機(jī)模板作用,即在模板的控制下,石灰等無機(jī)物的固化過程和形成的微觀結(jié)構(gòu)有利于硬度的提高[20]。自然界天然形成的生物礦化物,例如貝殼(主要成分是碳酸鈣)、骨(主要成分是磷酸鈣)和結(jié)石(主要成分是草酸鈣)等,其生長過程中無機(jī)物有序結(jié)晶和形成微觀結(jié)構(gòu)的有機(jī)模板主要是受一些生物大分子控制[21]。麻刀作為灰漿的有機(jī)添加劑,同樣能夠控制無機(jī)物的微觀結(jié)構(gòu)形成,從而提高灰漿的硬度。

圖2 南三所灰漿樣品微觀形貌Fig.2 The microstructure of the mortar in South-Three Courts

3.2 XRD、XRF分析結(jié)果

南三所不同類型灰漿XRD 檢測(cè)結(jié)果如圖3和表2所示。

圖3 南三所灰漿XRD 圖譜Fig.3 XRD pattern of the mortar in South-Three Courts

從圖3和表2可看出,底瓦泥、蓋瓦泥和泥背物相成分以石英砂(SiO2)、方解石(CaCO3)和長石類礦物為主,其中石英砂和長石類礦物來源于黃土,方解石來源于鈣質(zhì)石灰[14]。底瓦泥、蓋瓦泥和泥背是由生石灰加水和黃土攪拌后摻入麻刀制備而成,所以底瓦泥、蓋瓦泥和泥背都屬于麻刀泥?；遗c黃土的體積比為3∶7或4∶6或5∶5,灰與麻刀的體積比為100∶6[14]。

表2 灰漿主要物相組成及來源Tab.2 Main phases and sources of mortar

護(hù)板灰、焦渣背、青灰背、夾壟灰和熊頭灰的主要物相成分以方解石和石英砂為主。方解石來源于鈣質(zhì)石灰,同時(shí)鈣質(zhì)石灰中摻雜了少量石英砂。焦渣背由焦渣和生石灰加水制備而成,護(hù)板灰、青灰背、夾壟灰及熊頭灰由生石灰或生石灰、青灰加水與麻刀制備而成,其中顏色較深的灰漿原材料為生石灰和青灰,因此這五種灰漿都屬于麻刀灰[14]。

把XRF 及XRD 檢測(cè)結(jié)果相結(jié)合,組成元素取Si、Al、Ca、Fe、K 這五種元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表3。對(duì)各類型灰漿中同種元素的含量進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示。

表3 灰漿組成元素平均含量Table 3 Average contents of mortar components

Si、Al、Fe和K 元素主要來源于黃土,少部分Si元素?fù)诫s于鈣質(zhì)石灰中;Ca元素主要來源于鈣質(zhì)石灰,鈣質(zhì)石灰經(jīng)過水化和碳酸化反應(yīng)最終生成碳酸鈣。如圖4(a)、4(b)、4(d)、4(e)所示,底瓦泥、蓋瓦泥和泥背都屬于麻刀泥,這三種灰漿的Si、Al、Fe和K 含量相對(duì)較高,這是因?yàn)槁榈赌嘀饕牧现皇屈S土。黃土中SiO2含量很多,這是因?yàn)辄S土中除了含有大量石英之外,還有鋁硅酸鹽礦物如Na2O·Al2O3·6SiO2、KAlSi3O8、Al2Si2O5(OH)4等;其次是Al2O3,因?yàn)辄S土中主要礦物為長石[15]。如圖4(c)所示,護(hù)板灰、焦渣背、青灰背、夾壟灰和熊頭灰都屬于麻刀灰,這五種灰漿的Ca含量相對(duì)較高,這是因?yàn)槁榈痘业闹饕煞譃殁}質(zhì)石灰,其中焦渣背的原材料焦渣多以金屬和非金屬氧化物如鋁、硅、鐵、鈣等氧化物的形式存在,所以焦渣背Al元素含量較高。如圖4(d)所示,底瓦泥、熊頭灰和夾壟灰的Fe含量相對(duì)較高,這是因?yàn)镕e主要以Fe2O3形式存在,作為灰漿的著色劑,使這三種灰漿顯紅色。

圖4 不同種類灰漿中元素含量柱狀圖Fig.4 Histogram of element content of different types of morta

3.3 物理性能檢測(cè)結(jié)果

南三所各類灰漿硬度值、密度、吸水率和孔隙率的檢測(cè)結(jié)果如表4所示,通過作圖比較各類灰漿物理性能的差別。

表4 灰漿物理性能檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Test results of physical properties of mortar

從圖5可以看出,底瓦泥、蓋瓦泥和泥背的硬度值呈遞增趨勢(shì);護(hù)板灰、青灰背、夾壟灰和熊頭灰的硬度值同樣呈遞增趨勢(shì)。石英砂的莫氏硬度為7,長石6～6.5,均遠(yuǎn)大于碳酸鈣的硬度為3,結(jié)合XRF 檢測(cè)結(jié)果中各類型灰漿所含元素的量,表明灰漿的硬度不僅取決于黃土中的石英砂和長石類礦物,鈣質(zhì)石灰對(duì)灰漿硬度也有影響。在麻刀泥灰漿中,底瓦泥、蓋瓦泥、泥背的Si+Al含量分別是62.00 wt%、68.47 wt%、74.89 wt%,而它們的硬度分別是112 HL、150 HL、178 HL,Si和Al來自石英砂和長石礦物,所以麻刀泥中石英砂和長石礦物含量越高硬度越高;在麻刀灰中,灰漿的硬度也隨著石英砂和長石礦物含量的增加而增大。深入分析數(shù)據(jù),麻刀灰的硬度平均值為164 HL,大于麻刀泥灰漿的平均值147 HL,進(jìn)一步表明單純的石灰不是灰漿的最佳配方,單純的泥或泥越多也不是越好,綜合檢測(cè)的結(jié)果,初步認(rèn)定灰漿中硅鈣組成比為9∶5時(shí),灰漿具有較高的硬度和密度,同時(shí)具有較低的吸水率和孔隙率。

圖5 南三所各灰漿里氏硬度平均值Fig.5 Mean hardness values of each mortar in South-Three Courts

從圖6可以看出,麻刀泥和麻刀灰的密度與吸水率、孔隙率均存在負(fù)關(guān)系,吸水率與孔隙率之間存在正關(guān)系,即密度較高的灰漿因?yàn)榭紫堵瘦^小而吸水率較小,對(duì)木望板的保護(hù)效果較好?？傮w而言,麻刀泥灰漿有較大的密度值和較小的吸水率和孔隙率,麻刀灰灰漿的該三種性能與麻刀泥灰漿的相反。反映在成分上可知,黃土和青灰的密度均大于生石灰的密度是主要原因。這批麻刀泥和麻刀灰樣品雖然經(jīng)歷了長期的環(huán)境侵蝕,但仍然體現(xiàn)出了制作時(shí)原材料選擇、配比及工藝的科學(xué)性。由焦渣制備而成的焦渣背雖然Si+Al含量較高,但其組成顆粒較大,結(jié)構(gòu)疏松,降低了硬度和密度,同時(shí)增大了吸水率和孔隙率。焦渣背只在特定的時(shí)間段出現(xiàn)過,后由于較差的性能而不再使用。

圖6 南三所各灰漿密度、吸水率和孔隙率平均值Fig.6 Mean values of mortar density,water absorption and porosity of South-Three Cour

綜上所述,各類型灰漿的主要組成成分是SiO2、CaCO3和麻刀,其中SiO2是灰漿的骨料,CaCO3則作為灰漿的膠凝材料。麻刀泥灰漿主要原材料為黃土、生石灰和麻刀,黃土中主要成分是石英和長石;麻刀灰灰漿主要原材料為生石灰、麻刀或生石灰、青灰、麻刀,這八種灰漿常見于宮廷建筑的屋頂瓦面。

灰漿的硬度由黃土和鈣質(zhì)石灰共同決定;硅鈣組成比為9∶5時(shí),灰漿的硬度和密度較大,同時(shí)其吸水率和孔隙率較低。

灰漿的密度與吸水率、孔隙率均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,吸水率與孔隙率之間存下正相關(guān)關(guān)系;麻刀泥灰漿有較大的密度和較小的吸水率、孔隙率,麻刀灰灰漿與之相反。