高 峰

(故宫博物院 北京 100000)

故宫南三所(亦称撷芳殿,明代称慈庆宫、端本宫)位于紫禁城东部,宁寿宫以南,为一组殿宇的总称。在清乾隆十一年(1746年)改建而成。三所(东所、中所、西所)并列,共用一座宫门,皆南向,各三进院落,且每进院落各有一座正殿及东西配殿、耳房等,共计古建筑76座,总占地约一万多平方米。南三所屋顶多覆绿琉璃瓦,屋顶灰浆是否与其它屋顶灰浆材料及工艺相同,至今尚未见有明确研究。

人们习惯上将水泥出现以前的建筑中所用砂浆统称为传统砂浆、古代砂浆或历史砂浆[1-2]。尽管历史上最早使用的是粘土砂浆,但是得以大量、广泛应用的却是石灰基砂浆,又称“传统灰浆”,这种传统灰浆在人类建筑发展史上发挥过重要作用,直到十九世纪末才逐渐被波特兰水泥所替代[3],因为水泥具有快速凝固和高机械强度等优点。然而,水泥是否适合加固和保护历史建筑,目前在文化遗产保护领域存在很大争议[4]。一些学者指出“水泥是对古建筑维修工程的最大威胁”[5-8],应该因地制宜,根据被加固和保护的古建筑的特点选择合适的保护材料[9]。在中国大多数不可移动的历史文物如宫殿、古城墙和石塔中,都使用了石灰基砂浆,它们经过数千年的风雨侵蚀后仍保持完好,证明了传统石灰基砂浆优良的强度和耐久性[10]。

古代建筑工程中,石灰基砂浆起着将散粒状材料(如砂、石子)或块状材料(如砖块、石块)粘结成整体的重要作用[11]。我国作为最早烧制和利用石灰的国家之一,流传下来的灰浆有“九灰十八浆”之说,主要用于砌筑、勾缝、抹面、苫背和修饰等[12]。为了增加灰浆性能,古人在制作灰浆时有时会添加各种有机物,如糯米浆、动物血、植物汁液、桐油、蛋清、麻刀等[13,16-18]。

目前,对传统灰浆的研究主要包括四方面:一是灰浆的组成材料,包括胶凝材料、骨料、掺合料和添加剂等;二是各种原料的添加比例;三是灰浆的物理性质,包括密度、吸水率和孔隙率等;四是灰浆的机械性能,包括硬度、抗压强度和塑性等[2]。胡悦等[22]通过改变骨料/灰的比值研究灰浆性能的变化,结果表明骨料与灰的比值控制在2∶1以下,对改善灰浆的抗压强度效果最佳。魏国锋等[23]探讨了石灰种类对糯米灰浆性能的影响,采用氧化钙制备的灰浆具有更好的抗压强度和表面硬度。由于时代久远,现存灰浆的物理性质和机械性能大多已发生了变化,但这些信息对古建保护工程有参考意义,同时对研究传统灰浆的材料组成和原料配比有重要的借鉴意义[19]。2002年故宫拉开“百年大修”工程帷幕,南三所西所区古建筑群的保护工程即其中重要项目之一。本文采用体视显微镜、XRD、XRF、硬度计等对南三所修缮过程中采集的古代屋顶瓦面灰浆样品进行成分和性能测试,获得南三所灰浆原材料信息及配比,找到原材料种类、含量与物理机械性能的相关性,为南三所古建筑群研究型修缮,原材料、原工艺修缮原则的体现奠定基础。

2 样品及方法

2.1 实验样品

样品取自故宫南三所西所屋顶,包括灰背和瓦瓦泥(灰)共八类灰浆。实验过程中选取完整的样品进行检测,在不影响实验结果的前提下,重复利用样品。

2.2 方法与表征

(1)表面形貌。采用Anyty体视显微镜观察灰浆样品的表面形貌,放大倍数200倍。

(2)结晶物相分析。用研钵将样品研磨成粉末,采用Rigaku D/max2000型X 射线衍射仪测定灰浆样品的矿物结晶相,Cu靶,管电压为40 k V,扫描角度5°～75°,扫描速率为5°/min。

(3)元素分析。采用EDX-800HS 大腔体X 射线荧光分析仪测定多个同类型灰浆样品的元素组成及含量,取平均值进行比较,工作电压20 k V,工作电流20 m A,测试模式Easy-Air-Oxide。

(4)机械性能检测。对南三所灰浆样品的表面硬度,用里氏硬度作为其表征指标。测试中采用Leeb140HL计测定灰浆样品的硬度值,测试模式为平均模式,测量次数为3次;用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面,得到里氏硬度值。

(5)物理性能检测。采用MD/MDG 密度测定装置,检测灰浆样品的密度、吸水率及孔隙率,相关参数计算公式如表1所示。测定步骤如下:

表1 吸水性能相关参数计算公式Tab.1 Calculation formulas of relevant parameters of water absorption

①去除样品表面污染物,用超声波清洗机清洗表面,然后放入干燥箱,在50～60℃下干燥至恒重,移入干燥器冷却至室温。

②干燥后的样品置于密度仪的测量台上称重,稳定后的数值即样品在空气中的重量值,记作R1。

③样品防水处理。将样品放入真空抽取机进行第一次抽真空,然后往真空槽内注入加热后的去离子水,直至浸没样品,再开始第二次抽真空,直到无气泡产生为止。

④将防水处理后的样品置于密度仪的测量台上称重,样品在空气中数值稳定后的重量值,记作R2。

⑤将防水处理后的样品放入密度仪的水槽中称重,样品在水中数值稳定后的重量值,记作R3。

⑥样品密度及孔隙率的计算。

3 结果与讨论

3.1 样品分层作法及表面形貌

所取八类灰浆样品常见于宫廷建筑的屋顶瓦面,其从上至下的分层作法如图1 所示[15]。其中,护板灰、焦渣背、泥背和青灰背属于灰背,底瓦泥、盖瓦泥、夹垄灰和熊头灰则属于瓦瓦泥(灰)。

图1 屋顶瓦面的灰浆分层作法Fig.1 The practice of mortar for roof tiles

南三所各类型灰浆样品的微观形貌,如图2所示。

由图2可知,灰浆样品总体呈灰色,表面有棕色附着物,推测为积尘;部分样品掺杂白色碳酸钙或黑色焦渣团聚体。灰浆样品中明显有麻刀成分,其掺在石灰中起增强材料连接、防裂及提高强度的作用。古代建造房子时将麻刀掺入泥浆中,以提高墙体韧度、砖的连接性能。研究表明传统灰浆中的有机添加剂,起着生物矿化过程中的有机模板作用,即在模板的控制下,石灰等无机物的固化过程和形成的微观结构有利于硬度的提高[20]。自然界天然形成的生物矿化物,例如贝壳(主要成分是碳酸钙)、骨(主要成分是磷酸钙)和结石(主要成分是草酸钙)等,其生长过程中无机物有序结晶和形成微观结构的有机模板主要是受一些生物大分子控制[21]。麻刀作为灰浆的有机添加剂,同样能够控制无机物的微观结构形成,从而提高灰浆的硬度。

图2 南三所灰浆样品微观形貌Fig.2 The microstructure of the mortar in South-Three Courts

3.2 XRD、XRF分析结果

南三所不同类型灰浆XRD 检测结果如图3和表2所示。

图3 南三所灰浆XRD 图谱Fig.3 XRD pattern of the mortar in South-Three Courts

从图3和表2可看出,底瓦泥、盖瓦泥和泥背物相成分以石英砂(SiO2)、方解石(CaCO3)和长石类矿物为主,其中石英砂和长石类矿物来源于黄土,方解石来源于钙质石灰[14]。底瓦泥、盖瓦泥和泥背是由生石灰加水和黄土搅拌后掺入麻刀制备而成,所以底瓦泥、盖瓦泥和泥背都属于麻刀泥。灰与黄土的体积比为3∶7或4∶6或5∶5,灰与麻刀的体积比为100∶6[14]。

表2 灰浆主要物相组成及来源Tab.2 Main phases and sources of mortar

护板灰、焦渣背、青灰背、夹垄灰和熊头灰的主要物相成分以方解石和石英砂为主。方解石来源于钙质石灰,同时钙质石灰中掺杂了少量石英砂。焦渣背由焦渣和生石灰加水制备而成,护板灰、青灰背、夹垄灰及熊头灰由生石灰或生石灰、青灰加水与麻刀制备而成,其中颜色较深的灰浆原材料为生石灰和青灰,因此这五种灰浆都属于麻刀灰[14]。

把XRF 及XRD 检测结果相结合,组成元素取Si、Al、Ca、Fe、K 这五种元素进行统计,结果见表3。对各类型灰浆中同种元素的含量进行比较,结果如图4所示。

表3 灰浆组成元素平均含量Table 3 Average contents of mortar components

Si、Al、Fe和K 元素主要来源于黄土,少部分Si元素掺杂于钙质石灰中;Ca元素主要来源于钙质石灰,钙质石灰经过水化和碳酸化反应最终生成碳酸钙。如图4(a)、4(b)、4(d)、4(e)所示,底瓦泥、盖瓦泥和泥背都属于麻刀泥,这三种灰浆的Si、Al、Fe和K 含量相对较高,这是因为麻刀泥主要原材料之一是黄土。黄土中SiO2含量很多,这是因为黄土中除了含有大量石英之外,还有铝硅酸盐矿物如Na2O·Al2O3·6SiO2、KAlSi3O8、Al2Si2O5(OH)4等;其次是Al2O3,因为黄土中主要矿物为长石[15]。如图4(c)所示,护板灰、焦渣背、青灰背、夹垄灰和熊头灰都属于麻刀灰,这五种灰浆的Ca含量相对较高,这是因为麻刀灰的主要成分为钙质石灰,其中焦渣背的原材料焦渣多以金属和非金属氧化物如铝、硅、铁、钙等氧化物的形式存在,所以焦渣背Al元素含量较高。如图4(d)所示,底瓦泥、熊头灰和夹垄灰的Fe含量相对较高,这是因为Fe主要以Fe2O3形式存在,作为灰浆的着色剂,使这三种灰浆显红色。

图4 不同种类灰浆中元素含量柱状图Fig.4 Histogram of element content of different types of morta

3.3 物理性能检测结果

南三所各类灰浆硬度值、密度、吸水率和孔隙率的检测结果如表4所示,通过作图比较各类灰浆物理性能的差别。

表4 灰浆物理性能检测结果Tab.4 Test results of physical properties of mortar

从图5可以看出,底瓦泥、盖瓦泥和泥背的硬度值呈递增趋势;护板灰、青灰背、夹垄灰和熊头灰的硬度值同样呈递增趋势。石英砂的莫氏硬度为7,长石6～6.5,均远大于碳酸钙的硬度为3,结合XRF 检测结果中各类型灰浆所含元素的量,表明灰浆的硬度不仅取决于黄土中的石英砂和长石类矿物,钙质石灰对灰浆硬度也有影响。在麻刀泥灰浆中,底瓦泥、盖瓦泥、泥背的Si+Al含量分别是62.00 wt%、68.47 wt%、74.89 wt%,而它们的硬度分别是112 HL、150 HL、178 HL,Si和Al来自石英砂和长石矿物,所以麻刀泥中石英砂和长石矿物含量越高硬度越高;在麻刀灰中,灰浆的硬度也随着石英砂和长石矿物含量的增加而增大。深入分析数据,麻刀灰的硬度平均值为164 HL,大于麻刀泥灰浆的平均值147 HL,进一步表明单纯的石灰不是灰浆的最佳配方,单纯的泥或泥越多也不是越好,综合检测的结果,初步认定灰浆中硅钙组成比为9∶5时,灰浆具有较高的硬度和密度,同时具有较低的吸水率和孔隙率。

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

从图6可以看出,麻刀泥和麻刀灰的密度与吸水率、孔隙率均存在负关系,吸水率与孔隙率之间存在正关系,即密度较高的灰浆因为孔隙率较小而吸水率较小,对木望板的保护效果较好。总体而言,麻刀泥灰浆有较大的密度值和较小的吸水率和孔隙率,麻刀灰灰浆的该三种性能与麻刀泥灰浆的相反。反映在成分上可知,黄土和青灰的密度均大于生石灰的密度是主要原因。这批麻刀泥和麻刀灰样品虽然经历了长期的环境侵蚀,但仍然体现出了制作时原材料选择、配比及工艺的科学性。由焦渣制备而成的焦渣背虽然Si+Al含量较高,但其组成颗粒较大,结构疏松,降低了硬度和密度,同时增大了吸水率和孔隙率。焦渣背只在特定的时间段出现过,后由于较差的性能而不再使用。

图6 南三所各灰浆密度、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

综上所述,各类型灰浆的主要组成成分是SiO2、CaCO3和麻刀,其中SiO2是灰浆的骨料,CaCO3则作为灰浆的胶凝材料。麻刀泥灰浆主要原材料为黄土、生石灰和麻刀,黄土中主要成分是石英和长石;麻刀灰灰浆主要原材料为生石灰、麻刀或生石灰、青灰、麻刀,这八种灰浆常见于宫廷建筑的屋顶瓦面。

灰浆的硬度由黄土和钙质石灰共同决定;硅钙组成比为9∶5时,灰浆的硬度和密度较大,同时其吸水率和孔隙率较低。

灰浆的密度与吸水率、孔隙率均存在负相关关系,吸水率与孔隙率之间存下正相关关系;麻刀泥灰浆有较大的密度和较小的吸水率、孔隙率,麻刀灰灰浆与之相反。