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中国古建筑材料中石灰的生产与使用

作者:www.yuan-ge.com 时间:2020-09-24 09:01:59 来源:原创

新石器时代,将“木”、“土”、“石”等天然材料作为建筑的基本材料。


石灰,是应用最早的胶凝材料,古希腊人在公元前8世纪已在建筑中使用石灰。


中国也在公元前7世纪开始使用石灰。从仰韶文化的半穴居建筑到龙山文化的木骨泥墙建筑,从夏商周时期的宫式和高台建筑、秦汉时期的砖瓦建筑、明清时期的紫禁城到近代的历史建筑等,石灰一直是其中不可或缺的建筑材料。


本文主要从考古发现及文献资料简要介绍中国古代石灰的使用情况及生产工艺。



-I-

古遗址中的石灰使用情况


经考古发现,我国新石器时代的很多遗址中均有光滑且坚硬的“白灰面”,如河南郑州的二里岗遗址、陕西宝鸡的斗鸡台遗址;


有的甚至还经过烧烤处理,如蒙城尉迟寺遗址;


有的先用有的先用草筋泥、红烧土铺平,而后再用“白灰面”墁平,如青海民和县喇家遗址和辽宁建平县喀喇沁河东遗址。


这些做法除了使地面平整、坚固,同时在采光、防潮等功能方面也相应有了改善。


河南洛阳的王湾遗址新石器时代文化层特别厚,内含仰韶文化(王湾第一期文化)、仰韶文化向龙山文化的过渡期(王湾第二期文化)和龙山文化(王湾第三期文化)三期。


△王湾遗址发掘现场


其中王湾第一期文化的房基均为地上建筑,居住面为草拌泥红烧土面,表面坚硬龟裂;也有白灰面地坪,类似三合土,十分坚硬平滑。


如房基F1,第一层的硬居住面为石灰质,厚5cm。


王湾第二期文化建筑的居住面以白灰面居多。即从仰韶文化时期就已经开始使用石灰了。


然而,白灰面的第一次发现却是在安阳后冈遗址。


1931年,著名考古学家梁思永先生在安阳后冈遗址(公元前4000年~公元前1100年)首次发现了一层白色石灰状物质,因不确定其名称和用途临时称其为“白灰面”。


后冈遗址是一处龙山时期的大型村落遗址,该遗址中抹白灰面的房址有31座,白灰面厚2~6mm,层次均匀,表面光滑。


这些白灰面不仅抹在居住面上、墙上、门道内,而且还抹在窖穴的周壁和底部,有的还抹在柱洞壁上;施用白灰面不仅光滑美观,更重要的是可以防潮,如F11和F12。


另外在一个窖穴(H8)中遗存有未烧透的石灰石,在这些石灰石上还沾着石灰渣。


房址F11,木骨垛泥墙,居住面为一层白灰面,保存较好。考古发掘图如下:


△后冈遗址的房址F11


房址F12,土坯墙,室内有五层白灰面。土坯墙内外皆抹以细黄泥,在内墙上还抹一层草拌泥,并在其上抹白灰面。在修建过程中,曾多次粉刷墙面,因而墙面上留下了多层草拌泥和白灰面,发掘现状图如下:


△后冈遗址的房址F12


在龙山时期人工烧制石灰技术的发明,土坯等新型建筑材料的出现,白灰面防潮设施的广泛使用,是房屋建筑技术较仰韶文化时期的一大进步。


经放射性碳十四测定,后冈遗址的这些白灰面是人工烧制过的天然石灰岩的形成品,与今天人工烧制的石灰已无本质区别。



△后冈遗址


山西襄汾县陶寺遗址(公元前2300年~公元前1900年)为龙山文化时期的遗址,使用XRF、ICP-AES和ICP-MS等技术对该遗址的白灰面分析发现,陶寺遗址的白灰面主要成分为碳酸钙,原料来源主要在当地,而且是通过石灰石烧制而来的。


因此,我国古代先民在4000多年前已掌握烧石灰的技术,并将石灰用作建筑材料。


△陶寺遗址


喇家遗址(公元前2200年~公元前1600年)为齐家文化,该遗址是具有宽大环壕的大型聚落遗址,在聚落内分布有密集的白灰面房址。房址的地面和四壁均有白灰面遗迹,先敷一层厚约3cm的黄土草拌泥,后抹厚约0.3~0.7cm的白灰面。


从以上考古遗址的发掘可以发现,石灰从仰韶文化时期开始出现,由人工烧制的石灰石而产生,到后来的龙山文化、齐家文化等石灰在建筑中的应用越来越多,而且在不同地区均有应用。


到春秋战国时期,开始有关于石灰在建筑中使用的文献记载。


《左转》中曾有“成公二年(即公元前589年)八月,宋文公卒,始厚葬,用蜃灰”的记载。


古时大蛤称蜃,而蜃会则是一种水生物大蛤的外壳(其成分主要是碳酸钙)烧制而成的石灰质材料。


这表明贝壳石煅烧成的石灰,在我国春秋战国之时已被广泛认识,且利用石灰极易吸收水分的特点,将其用于防潮。


《后汉书·杨璇传》记载:“特制马车数十乘,以排囊盛石灰于车上,既与贼站,乃顺风鼓灰,贼不得视,遂败。”这说明汉代的石灰产量已相当大了。


河北望都二号汉墓(公元182年)的砖砌体使用石灰胶结,砖拱券用石灰浆灌缝,墓的内壁及券面都粉刷了石灰面层,表明此时的石灰技术已经成熟。


-II-

石灰的生产


明代文学家于谦在诗作《石灰吟》中,对石灰的锻炼过程进行了诗意化、象征化的描述:


千锤万凿出深山,烈火焚烧若等闲。


粉骨碎身浑不怕,要留清白在人间。


不过真正从石灰的生产技术上进行描述的,是明代的《天工开物》,它从原料的选择、煅烧燃料及消化方式等对石灰的制作工艺进行了详细记载:


凡石灰,经火梵炼为用。成质之后,入水永劫不坏。亿万舟楫,亿万垣墙,窒隙防淫,是必由之。百里内外,土中必生可燔石,石以青色为上,黄白次之。


石必掩土内二三尺,掘取受燔,土面见风者不用。燔灰火料,煤炭居十九,薪炭居十一。


先取煤炭泥和做成饼,每煤饼一层,垒石一层,铺薪其底,灼火燔之。最佳者曰矿灰,最恶者曰窑滓灰。


火力到后,烧酥石性,置于风中,久自吹化成粉。急用者以水沃之,亦自解散。


需要注意的是,这里提到的“石必掩土内二三尺”,石,即石灰石。石灰石必定在土内二三尺的说法不确切。自然界石灰岩裸露或形成秃山的很多,露出地面常形成“石林地貌”。即使这样,石灰岩也大都延伸入地下,而不只限于“土内二三尺”。


这段文字大意是说:可燔石即为石灰石,主要含碳酸钙,其中青色的质量较纯,黄白色的含有粘土、矿物质等杂质。烧制石灰的燃料,煤炭占十分之九,柴炭占十分之一。


先把煤掺泥做成煤饼,然后一层煤饼一层石相间堆砌,底下铺柴引燃煅烧。火候足后,石头变脆,放在空气中会慢慢风化成粉。急用时灌上水,也会自己散开。


根据已有的考古发现,隋唐时期就已出现煅烧石灰石的石灰窑,不过确切是从何时开始出现的石灰窑,还有待进一步考古资料证明。如河南巩义发现一批隋唐时期的窑炉,其形制大小均不同于常见的馒头窑和瓷窑,而且窑炉内紧密填充青石块和白灰而不见一片瓷片,故而推之为石灰窑。


△山西的石灰窑遗址


当大宗的煤炭作为石灰煅烧燃料时,石灰成本降低。因此,明代以后砖墙砌体全部使用石灰浆,开始了大量使用石灰的时代。


-III-

反应机理


以石灰石为原料,经高温煅烧后得到氧化钙,即为生石灰:


生石灰十分活跃,吸湿性强,与水消化生成氢氧化钙,即为熟石灰:


熟石灰通过吸收空气中的二氧化碳进行硬化,成为碳酸钙:


这一反应即为石灰的硬化机理,这使得石灰不仅可以作为砖石间的砌筑材料,而且可以用外墙的粉刷材料,在古代广泛应用于土木工程,使得三合土和夯土技术逐步发展。



△石灰的生产流程

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