糯米灰浆在古建筑修复中的应用

作者:王孟达王峰李仁罕时间:2018-06-12 10:10:20  来源:  阅读次数:8次 ]

摘 要:糯米灰浆有着悠久的使用史,作为一种无机/有机复合材料在中国古代建筑史上起到了很大的作用。开展针对性的研究对 于发掘中国古代重大发明的价值及科学的利用传统技术对古建筑的保护和修复都具有重要意义。文章对糯米灰浆在我国历史建筑 中的应用,其科学机理,现代研究及如何将之应用于古建筑修复做出详细阐述。

关键词:糯米灰浆;材料;古建筑;修复;应用

   在中国古代大量使用的砌筑胶结材料为石灰灰浆。现在人 们在针对古建筑的修复保护工作时,经常轻率地放弃传统砌筑 灰浆,喜欢采用无机胶凝材料的石灰砂浆、混合砂浆、水泥砂 浆和有机胶凝材料的环氧树脂等现代材料,本身可能就违背了 古建筑保护中“不改变原状”,以及传统材料、传统工艺和传 统形制“三个相一致”的原则。如浙江宁波的唐代天封塔,原 来的外形古朴美观,但在上世纪五十年代修缮外部时,使用了 大量的水泥包砌,失去其历史气息,成为了一座现代的水泥塔。 这是一种典型的“保护性的破坏”案例。 修缮是以旧补旧,修旧像旧,以原物为基础进行修葺。修 缮古建筑是对一种建筑文化的尊重,对社会文化的传承,是对 一种社会现象重新记忆和发扬。所以在古建筑修复中需考虑以 下因素 :

(1)古建筑的价值在于其历史原貌,大量的使用现代 胶凝材料,本身就是对其艺术性的破坏。

(2)从历史记载和现 存实物的效果来看,中国的传统灰浆技术能够保证古建筑的坚 固性,现代胶凝材料如水泥,硬化快,强度大、孔隙率低、与 古建筑文物本身的不兼容性、在使用中常常会引入可溶性盐等 问题,并不适宜用于文化遗产保护领域,逐渐被文物保护工作 者所认识。

(3)水泥等现代胶凝材料用于古建筑修复还可能引 起严重的后果。首先,水泥砂浆的强度一般较大,透气性很差, 易加速古建筑中砖石风化和损坏。同时,水泥和砌块的粘接力 非常强,一旦结合很难分开,显然不利于后续的保护和修缮工 作。其次,从抗渗性的角度来看,水泥砂浆固化过程中干燥收 缩将会引起建筑结构内部空洞,而传统灰浆由于石灰粉的膨胀 作用,这些空洞将会被填满,古建筑的防渗性会得到提高。 为了确定传统的糯米灰浆能否修复古建筑,浙江大学文物 保护与鉴定中心张秉坚教授制备出不同量糯米配制的石灰灰 浆,测试了糯米石灰灰浆的性能并结合建模发现,糯米灰浆具 有更稳定的物理特性,有较高和可控的机械强度,同时更具备 兼容性,这让它成为了古代土木工程的合适修复灰浆。他们得 出结论,糯米灰浆作为一种粘接和填充砖、石块和其他建筑材 料缝隙的胶凝材料,依然是修复古建筑现有的最好材料。这一 结论也发表在美国化学会(ACS)的著名期刊《化学研究评述》 中。

1 糯米灰浆科学性的现代研究

1.1 糯米灰浆能长期保存的机理

   目前,国内外对糯米浆三合土的研究采用的方法有多种, 分别为 FT-IR,XRD,SEM、淀粉 - 碘测试等技术。浙江大学 文物保护材料实验室对西安明代城墙、南京明代城墙等处砖石 砌缝中的灰浆样品进行热重和红外光谱等方法分析,发现其中 都存在糯米成分。 糯米是一种天然多糖物质,自然条件下极易腐败。杨富巍 认为,灰浆中掺入的糯米浆历经千年而不腐败和糯米灰浆的制 造和固化过程有关。在糯米灰浆的固化过程中,石灰发生了如 下变化 : CaO+H2O=Ca(OH)2+64.9KJ  (1) Ca(OH)2 → Ca2++2OH-  (2) Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O  (3) 反应(1)为生石灰的水化反应,亦称石灰的消化或熟化, 过程中产生的活性氧会对细菌产生极强的杀灭作用。反应(2) 中,Ca(OH)2 电离产生大量 OH- ,使溶液呈强碱性而杀灭细 菌。在反应(3)中,糯米灰浆依靠干燥结晶及碳化作用而硬 化,氢氧化钙和空气中的二氧化碳反应生成方解石晶型的碳酸 钙。反应(3)和(2)同时进行,随着表面硬度的增大,阻挡 了 CO2 的渗入,就使得灰浆内部氢氧化钙的电离反应一直存在, 可以抑制细菌生长,保持糯米浆新鲜。 淀粉是葡萄糖分子聚合而成的,它是细胞中碳水化合物最 普遍的储藏形式。淀粉有直链淀粉(含量约 20%)和支链淀粉(含 量约 80%)两类。前者为无分支的螺旋结构 ;后者以 24~30 个 葡萄糖残基以 α-1,4- 糖苷键首尾相连而成,在支链处为 α-1,6- 糖苷键。糯米的主要成分为支链淀粉。直链淀粉遇碘会显 蓝色,支链淀粉遇碘呈紫红色,李广燕,张云升等研究了几处 古城墙泥灰类粘结材料,在对材料做碘 - 淀粉试验时,发现 4 组带表样中都含有未降解的糯米支链淀粉成分。

1.2 糯米浆加入石灰浆中的科学意义

   为了验证糯米浆的加入是否能够提高灰浆性能,很多科学 工作者做了大量的工作。 (1)糯米浆对石灰的碳酸化反应有调控作用。 浙江大学文物保护材料实验室发现在糯米浆的参与下,石 灰中加入 3% 的糯米浆以后,抗压强度提高了 30 倍,表面硬 度提高了 2.5 倍,耐水浸泡性大于 68 天以上,通过扫描电镜 发现 Ca(OH)2 反应生成的碳酸钙是纳米尺度的方解石晶型的细 小颗粒,比不加糯米浆的结果要细小和致密得多。 (2)糯米浆和生成的碳酸钙颗粒之间有协同作用。 中国科学技术大学郭晓辉通过聚合物控制模拟生物矿化研 究发现,水溶性功能聚合物和表面活性剂等有机添加剂对无机 晶体晶化提供了模板,同时发现在复杂无机结构形成过程中有 机 - 无机材料有相互协同作用。 浙江大学曾余姚等人将糯米浆配成 1%-4% 的浓度后,再 分别与饱和的 Ca(OH)2 溶液混合并通入 CO2 气体。发现生成的 碳酸钙晶粒细小致密,糯米浆与碳酸钙颗粒分布均匀,互相包 裹,填充密实,形成了一种致密的微观结构,使得灰浆具有更 好的韧性和强度,并且随着糯米浆浓度的提高,碳酸钙的颗粒 逐渐变小,形状越不规则。 陕西科技大学张雅文研究了糯米浆、玉米淀粉糊、马铃薯 淀粉糊、糊精等多糖类物质对石灰碳化调控作用,对于碳酸钙 晶体形貌,糯米浆、玉米淀粉糊、马铃薯淀粉糊这三种大分子 糖类均能表现出明显的调控作用。而小分子多糖类物质糊精则 表现不明显。

1.3 添加剂对传统糯米灰浆性能的影响

   由于石灰在硬化的过程中也存在很多问题,比如早期强度 低,易出现裂纹开裂,收缩性比较大等,在以石灰来制备糯米 灰浆的过程中,这些问题没有得到明显改善,故一些学者开始 把目光转到添加剂上面,探讨其对传统糯米灰浆性能的影响及 机理,从而找到能提升其性能的新配方。 浙江大学的魏国锋,结合《天工开物》中文献记载和实践 考察,探讨了纸筋、硫酸铝和二水石膏 3 种添加剂对糯米灰浆 抗压强度、耐冻融性及干燥收缩性的影响及其机理。结果表明: 硫酸铝对改善糯米灰浆的干燥收缩性效果最佳 ;纸筋对糯米灰 浆抗压强度和耐冻融性的改进最为明显 ;二水石膏对样品的耐 冻融性并无改进,且随着其含量的增加,样品的抗压强度和表 而硬度增幅降低。其结论为可采用 6% 的硫酸铝或 3% 的纸筋 作为修复文物中糯米灰浆的添加剂。 朱宪荣以糯米淀粉为原料,采用乙醇溶剂法制取羧甲基淀 粉(CMS),研究了 CMS 对砂浆性能的影响。结果表明 :1% 高质量分数的 CMS 可明显提高砂浆的综合性能,如有效降低 砂浆稠度、分层度、泌水量指标,同时使砂浆内晶体形成紧密 的微观结构 ;而低质量分数 CMS 降稠效果不明显。

2 糯米灰浆在中国古代建筑史上的应用

2.1 糯米灰浆的使用历史

   以糯米灰浆为代表的中国传统灰浆在不晚于南北朝时期已 经成为比较成熟技术。有证可考的是明朝的《天工开物》一书, 书中对糯米灰浆的组成、制作方法和性能作出了较为详细的介 绍 :“用以襄墓及贮水池则灰一分入河砂,黄土二分,用糯米、 羊桃藤汁和匀,经筑坚固,永不墜坏,名日三合土”。在缺乏 有效粘合剂的古代,这种按比例掺入糯米汁的三合土,即糯米 灰浆,把古建筑胶凝材料的粘结性提高到空前的高度,代表了 我国古代石灰基胶凝材料粘合剂的最高成就,有强度大、韧性 好、防渗性能好等优点。 糯米灰浆具有上述优点,因而被古人大量应用于修筑城墙、 墓葬和水利工程等设施中。例如 :佛教“天台宗”发祥地的台 州国清寺塔,建于隋开皇年间,使用糯米灰浆为砌筑沙浆,异 常坚固。荆州被发掘的一段古城墙,始建于明朝成化年间,通 体用糯米浆浇筑,至今仍未被毁坏,这和使用糯米灰浆做胶结 材料是分不开的。《宋会要》记载,公元 1170 年南宋乾道六年 修筑和州城,“其城壁表里各用砖灰五层包砌,糯米粥调灰辅 砌城面兼楼橹,委皆雄壮,经久坚固。”糯米灰浆还被用来砌 筑塔、桥等建筑,比如于都县保存至今的文峰塔,丰田塔等 5 座土塔,塔身用三合土和糯米灰浆浇筑,历经将近三百年不倒。 直到近代,糯米灰浆还有使用,如开平碉楼,闽西南部土围楼 等。可见,糯米灰浆在中国古建筑应用上时间跨度大,经受住 了时间和历史的检验。

2.2 糯米灰浆在古建筑修复中的应用

   陈俊良根据古文献,选取石灰、粘土、糯米浆、海砂等七 种材料仿制古灰浆,并研究其最佳配比,并将之用于古建筑修复。 袁润等人对焦山古炮台进行基底夯土成分分析,在修缮工 程中应用了研究成果并取得了良好的效果。 沈宝玉对五代前蜀的王建墓进行修复时,采用了三合土技 术,并在施工现场,对所用三合土进行了试验,并成功将该技 术用于了墓葬防水层的修复工作。 张慧等在修复江阴黄山小石湾炮台遗址时,使用由 1 %-2% 的糯米浆、浓度小于 0.1% 的明矾与质量比小于 3/1 的土灰组 成的配方,可显著提高夯土墙基的抗风化性能。 在杨富巍《无机胶凝材料在不可移动文物中修复》中提到 糯米灰浆已经在两处古建筑文物的修复保护中得到应用。一是 寿昌桥,二是梵天寺石经幢,两者都是国家文物保护重点单位。 寿昌桥在浙江省德清县境内。该地的气候条件属亚热带气 候,四季分明,春夏梅雨期间潮湿多雨,秋冬阴冷。在 2006 年的修复中,糯米灰浆(由消石灰、糯米浆和石粉等调制)被 用作粘接、填缝材料。从效果来看,糯米灰浆和寿昌桥桥体材 料相容性良好,且能适应潮湿气候。五年中,经糯米灰浆修复 过的地方没有任何开裂和脱落现象发生,这说明糯米灰浆是适 用的。他认为,经糯米灰浆粘接或填缝处理的部位也不再有植 物生长,这应该与石灰材料的强碱性有关。

3 结语

   糯米灰浆的出现从分体现了我国古代劳动人民的智慧,把 我国古建筑胶凝材料的粘性提高到“质”的飞跃,代表了我国 古代石灰基胶凝材料最高成就,有强度大、韧性好、防渗性能 好等优点。在古建筑修复中比起现代的胶凝材料有着不可替代 的优势,也具有很好的前景,这一领域也必将受到更多人的关注。

参考文献 :

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[3] 黄晓庆,李广良,朱伟勤.改性淀粉在建筑材料中的应用及实例[J]. 化学与黏合,2006,28(3):183.

[4] Wei G F,Zhang H,An experimental study on application of sticky rice mortar in conservation of the stone tower in the Xiangji Temple[J]. Construction and Building Materials.2012,28:624-632.

基金项目:文章为安徽省教育厅自然科学研究项目“徽派古建 筑糯米灰浆仿制及生物矿化机理研究”的成果之一,项目编号:KJ2015JD11。

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