镁质石灰建造的明蓟镇砖石长城保护问题初探

王怡婕，秦天悦，戴仕炳

1 明砖石长城保护现状与灰浆问题

1.1 明蓟镇长城建造形式

已公布的历代长城中，明长城资源保存较为完好，形制和类型丰富，是现存长城遗迹中的精华，具有极高的历史文化价值。

明朝200 多年的长城修筑逐步形成了“九边”分区防守、分段管理的制度。为加强京城的防务与战备需要，明嘉靖年间在原九镇（甘肃镇、固原镇、宁夏镇、延绥镇、山西镇、大同镇、宣府镇、蓟镇、辽东镇）的基础上，从原蓟镇中单独分离出了昌平镇和真保镇，万历年间又从蓟镇析置出山海镇，固原镇析置出临洮镇。自此明长城九边十三镇的整体军事防御格局完善并确定。

东部的明长城以砖石包砌或垒砌为主，西部则多以夯土构筑。其中明长城墙体长度为8851.8km[1]46，占长城总量的约40%。而明长城遗存中，砖石质长城最为坚固，也是长城遗存的精华，其总长度约2034.6km，为明代长城总长度的23%，其中石质墙体1657.4km，砖质边墙377.3km[1]68。从构造类型上，可将砖石质长城墙体划分为石砌、砖砌、砖石混筑3 类，这主要是从墙体外部砌体材料考量，实际由于防御等级不同、材料采集情况不同，墙体砌筑方式和材料组合会有非常丰富的变化。总体上，砖石质墙体多见于蓟镇和宣府镇，辽东镇、大同镇、太原镇则以石质墙体为主。明长城砖砌墙体中以蓟镇段最具代表性。蓟镇段同时也有砖砌、石砌、夯土等多种构造类型。但蓟镇作为离京师最近的军事防御聚落，需要更加防范北方少数民族侵入，因而蓟镇较其他防御军区的明长城，等级更高，防御的要求也更高，因此建造过程中使用了大量青砖砌墙[2]。

1.2 明长城保护灰浆问题堪忧

自20 世纪“爱我中华，修我长城”运动开始，受到国外各类保护理念的持续影响，长城作为如此大体量与规模的建成遗产，经修缮后呈现不同的现存状态（图1），反映了我国对合适保护方式的不断尝试与探索。而近年来，对长城本身病害的科学分析及对经过修复或维修后出现的一系列问题的科学评估等，引发了对维修理念、保护材料等方面的再思考。从材料角度出发，许多现存长城开裂、坍塌（图2），甚至在修缮后就发生坍塌的现象，很有可能与原始灰浆的失效，或者修复时使用的石灰性能不满足要求有关，而目前的研究在两者之间没有建立关联。我国遗产科学保护尚属起步阶段，对长城石灰缺乏系统科学分析，也缺乏适用于遗产保护的建筑石灰标准或规范以及用于指导施工的石灰工艺导则，现有标准[3-4]完全不能满足研究或实践需要，很多情况在保护设计或施工中只能采用“原材料、原工艺”等来表述。对于镁质石灰，国内相关研究鲜少发表[5]。

1 经修缮后不同现存状态的明蓟镇长城

2 未经修缮的不同现存状态的明蓟镇砖石长城遗址

2 镁质石灰在明蓟镇长城上的发现

2.1 明代石灰工艺概述

石灰工艺相关的修建技术，应该包括石灰种类选择、消解方式及配方设计、工艺优化等一系列内容[6]19。尤其在配方设计上，我国古代劳动人民通过在石灰中添加糯米、桐油、血料等材料，使得石灰凝胶材料的品种和性能有了很大的发展和改进[7]。

明代《天工开物》是历史上首次系统地总结了石灰的生产过程、性能和原材料的文献，特别是其对生产过程的详细描述1），可见明代对石灰石的遴选和烧制的工艺，书中也对石灰中掺入配料用以筑造作了较详细的配比描述2）。

明长城营造工程具有严密的质量体系，对建造所需石灰制定有严格的管理制度。由于华北地区燃料不足，因而石灰成为核心资源，工部对物料的领用建立了放支制度。明代烧制石灰的人力主要有军户、工匠、役工3 种，其中，军户负责长城等重要工程使用的石灰，因而明长城的石灰生产都由驻防军队完成[8]。明代北京石灰均在石灰山等处烧造，每座窑炉和燃料（其时所用燃料为柴薪）和用工及产量都有明文规定3），且对烧成品也有验收制度以确保质量4）。

初步研究表明，烧成的生石灰被运到建造地点，很可能采用《天工开物》描述的风吹方式消解，或采用少量的水干法消解过筛。细灰（包括未烧透的石灰石）不添加任何外来的砂石4），而添加少量的水直接用作砌筑或勾缝，局部灌浆（图3、4）或在土质边墙顶部作为防渗，筛余的大的未烧透的石灰石则用作墙芯填充料（图5）。在北京八达岭坍塌的墙芯发现未烧透的白云石石灰岩和经历约400 年没有碳化的镁质石灰。微观上，这类灰浆具有类似现代混凝土的致密结构（图4）。有关长城灰浆的工艺特征将有专文论述。

3 长城建造主要石灰工艺

4 北京司马台镁质砌筑灰浆微观结构

5 北京八达岭墙芯中发现的未烧透的带有没有碳化的Mg(OH)2 环边的白云质石灰石

2.2 现代石灰标准中的镁质石灰

现代科学研究[9-13]可以清楚地将新的建筑石灰和历史灰浆根据固化机理等分为两大类：一类为气硬性石灰，另一类为水硬性石灰。其中气硬性石灰指需要有CO2才能发生反应而固化的石灰，按照成分的不同又可以分为钙质石灰与镁质石灰。

钙质石灰与镁质石灰虽然都归类为气硬性石灰，但是两者差异明显：

第一，烧制钙质石灰和镁质石灰的石灰岩不同。钙质石灰由高钙石灰岩（沿海地区也使用牡蛎壳）烧制而成。而烧制镁质石灰的是白云石灰岩或白云岩，颜色洁白如云，质硬而细腻，因而常用作雕刻材料。

第二，煅烧的温度和煅烧产物不同。高钙石灰岩在900℃～1100℃下煅烧生成气硬性高钙生石灰（CaO）。而白云石灰岩在730℃～790℃就分解为游离氧化镁（MgO）和碳酸钙（CaCO3），900℃左右CaCO3分解为氧化钙（CaO）[6]68。因此，相较钙质石灰，镁质石灰烧成温度低，含有不可忽视比例的氧化镁（MgO）。

第三，钙质生石灰和镁质生石灰的消解、固化过程不同。低温烧成的钙质生石灰快速消解生成消石灰[Ca(OH)2]，进而固化，而在常温常压下，镁质生石灰中MgO 的消解非常缓慢，因而它的消解过程同时也伴随着固化过程。镁质消石灰的固化产物中有CaCO3、Mg(OH)2、MgCO3、Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O 等复杂组分。

上述的差异使得钙质石灰和镁质石灰的物化特性也有明显不同，根据国外众多学者对镁质石灰的研究证明[11,13-16]，镁质石灰相比钙质石灰，具有最终强度高、密度高、孔隙率低，低吸水率、低透气率等特点，从而拥有更佳的抗冻融性能。欧洲大陆的意大利、奥地利、德国等曾经大量使用镁质石灰[11,14]，美国至今仍然有大约50% 的建筑用石灰为镁质石灰[16]。

2.3 明蓟镇长城灰浆化学及矿物学组成

在长城灰浆问题上，许多长城学者、工匠习惯以传统经验口口相传，认为长城灰浆就是所谓俗称的“白灰”，即钙质石灰。同时也可以看到目前学术界对长城灰浆的研究[7,17]，也多着眼于建筑石灰的外加组分，如添加糯米的灰浆，尽管过去的科研分析[18]和实际工程对残存的灰浆测试发现明代灰浆含有较高的镁，但是缺乏对含镁石灰的系统分析。

对北京密云、延庆长城以及河北遵化、秦皇岛、张家口等地采集的几乎不含骨料的砌筑及勾缝灰浆样品（图6）进行系统的化学、矿物学等分析可以看出，以蓟镇为代表的明长城建造灰浆普遍或者主要使用了镁质石灰。

6 部分灰浆取样点

根据现有灰浆的化学组分含量理论换算成原始消石灰中钙镁含量，发现蓟镇砖石长城有大比例的石灰样品中MgO 含量大于5%（图7），对照现有的建筑消石灰分类[3,4,9]，可以判断为镁质石灰。其中如遵化，则为纯白云石石灰。而可以作为对比的样品，如山西新广武等砌筑灰浆中，MgO 含量低于2%，是典型的钙质石灰或钙质天然水硬性石灰[12]。

7 长城建造用建筑石灰的类型

此外，现有的不同部位灰浆的矿物学研究结果显示，在司马台、八达岭等代表性的明蓟镇砖石长城中出现大量含镁矿物，如菱镁矿、水菱镁矿等（表1），而且出现典型的镁质石灰的显微结构特点（图4）。本团队研究也发现，明蓟镇长城镁质石灰灰浆总体上密度、超声波速度、强度等高于钙质石灰。

表1 根据Rietveld 半定量X 射线衍射分析结果（参照T.Dettmdering 等资料整理，NN=低于检测限）

3 明代匠人特意使用镁质石灰进行长城建造的推测与印证

我国历史上已有以白云岩为原料煅烧而来的镁质石灰的记载[6]，晋张华《博物志》卷 4 记载:“烧白石作白灰，既讫，积著地，经日都冷，遇雨及水浇即更燃，烟焰起。”此处的描述与《天工开物》总结的“石以青色为上”不同，此白石应该是白云岩或白云石灰岩。

根据北京地质图[19]（图8）显示，建造长城的山体以花岗岩、白云岩为主。值得注意的是，地质学家在进行华北地层命名时，将含有白云岩的地层命名为长城群、蓟县群。这些地区的长城附近也同时存在可以烧制钙质石灰的石灰岩，却选择以含有镁质的石灰岩作为石灰来源，这恰好印证了 “烧白石作白灰”。因此，不排除当时建造长城时有意选择了白云石灰岩来烧制石灰。

8 北京地质图，红色区域为蓟县群和长城群地层，黑线表示长城示意走向

本团队调研取样的地点主要覆盖了“九边重镇”中蓟镇的分布区域。蓟镇拱卫京师，其等级之高、修筑频繁、灰浆的用量之多，尤其是在明代中后期，即嘉靖（1522-1566）、隆庆（1567-1572）、万历年间（1573-1620）大规模修筑，尤其在戚继光担任蓟镇总兵之后，开始大规模建造空心敌台[20]。《明史·戚继光传》中记载“蓟镇边垣，延袤二千里，一瑕则百坚皆瑕……令戍卒画地受工，先建千二百座……”。而为了使边墙更坚固，自万历年间蓟镇边墙开始包砖，“当是时，墙犹夫旧也。至我皇上御极四年，始有拆旧墙、修新墙之议。近墙高广，加于旧墙，皆以三合土筑心，表里包砖，表面垛口，纯用灰浆，足与边腹砖城比坚并久……”。其中“纯用灰浆”也与灰浆分析结果高于80%的粘结剂含量相符合。在军事管理下，整个蓟镇可能统一了建造石灰的使用。

白云石灰岩的煅烧温度比钙质石灰岩低约200℃，采用白云石灰岩烧制石灰，既可使用较少的燃料，又能生产出优质的石灰，这比较符合古代建造长城缺乏燃料的条件。同时，过低或过高的温度、过短的时间均不能烧制高质量的镁质石灰用作建筑材料。因此，烧制白云石灰岩需要对其烧制工艺有透彻的了解，且有良好的温度控制工艺，才能使建造出的长城坚固耐久。

镁质石灰中MgO 的消解十分缓慢，熟化的过程体积会微膨胀，即使经过长时间的消解，灰浆中仍可能存在对后续反应不利的未水化MgO。因此，掌握镁质石灰的消解工艺至关重要。

同时，镁质石灰需水量低，收缩率缓慢而均匀，具有更好的保水性和更高的塑性，这都有利于在条件恶劣的远郊山区进行长城的建造施工。

结合技术手段检测出的物质遗存——镁质石灰的特性和历史文献的印证，根据各种分析结果与研究，不难怀疑，中国明代的匠人已经了解了镁质石灰的特性和优点，掌握了从烧制到消解及施工的完整工艺，特意选择白云石灰岩烧制镁质石灰用于长城建造。但由于在当时属于军事机密，没有文字资料出现。而要阐明这种关系，除了需要大量的历史调查、地质地理研究外，尚需要实验考古学等验证。

4 长城病害与镁质石灰的关系——以延庆67号敌台为例

近几十年来愈发严重的大气污染使镁质石灰容易受到酸蚀，同时生成硫酸钙（CaSO4）、硫酸镁（MgSO4）等水溶盐，其中硫酸镁盐为易溶物（20℃时100g 水中可溶解33.5gMgSO4），极易受到环境温湿度的影响而发生转变，破坏砖石长城的灰浆、砌体砖等。

2019 年的调研发现，肉眼可以观察到北京延庆67 号敌台废墟残存砖墙体顶部①号位置的灰缝流失较多，底部③④位置的砖和灰浆粉化严重，尤其是③号位置带的墙砖酥化严重，灰缝表面可观察到絮状结晶（图9、10），经成分检测为硫酸镁等结晶体。水溶盐的检测数据也证实，靠近底部的③④位置可溶盐离子浓度高。67 号敌台砖砌体的病害可以与镁质石灰的劣化建立关联（图11）：一是墙体顶部与雨水、雾气等的接触程度最大、最频繁，砌筑和勾缝灰浆被腐蚀流失，进而丧失粘结作用，使墙砖失去拉结力而剥离；二是由于硫酸镁盐等水溶盐的动态变化，硫酸盐的过多聚集在排水不畅或蒸发部位，使墙体易发生泛碱。硝酸盐、硫酸镁等高吸湿性加剧干湿变形及冻融风险。灰浆和墙砖强度的大幅度削弱最终造成墙体的垮塌。

9 延庆67号敌楼水溶盐取样部位

10 图9 ③号部位发现絮状盐晶体

5 结论与讨论

5.1 镁质石灰建造的长城维修不宜使用原材料原工艺

新的长城保护指导思想是将长城作为遗址进行原址保护，减少重建[19]。要做到这一点，需要先对坍塌的长城进行病理分析，然后重新设定不同类型灰浆等材料的性能指标，还要针对具体情况完善技术方案——这对长城保护技术提出挑战。

明蓟镇砖石长城建造时采用的镁质石灰自身“基因”良好，低能耗、低水耗、高强度，但是在如今大气污染的环境下，却更容易“表达缺陷”。从“原材料、原工艺”“这段长城用什么灰浆建造就用什么灰浆来修”等这些普遍认同的角度来看，以镁质石灰砌筑的长城理应使用相同成分和配比的灰浆进行修缮保护，但由于镁质石灰本身的缺陷并不利于历史遗迹的良性保存，使用镁质石灰建造的明砖石质长城却不宜再使用相同材料工艺的镁质石灰进行保护干预。这显得与当前文物保护和国内一些专家类似“原材料、原工艺”的理念相矛盾——这对长城保护理念提出挑战。

20 世纪，镁质石灰在欧洲修复建筑遗产出现的各种问题导致其在今天修复中的使用已被禁止[11,14]，只有等空气污染明显减少，才可以考虑重新使用镁质石灰。而在大气污染得到控制的美国，采用现代技术消解的镁质消石灰仍然是主要的建筑遗产修复用石灰之一[16]。而当前华北地区的空气指数来看，长城维修依旧不适合使用镁质石灰。

5.2 作为遗址保护维修应使用什么类型的灰浆

结合欧洲类似的镁质石灰建造的遗址保护经验[11]及英国哈德良长城维修的研究成果[20]，作为遗址保护的明砖石长城维修中，为达到安全目标需要的灰浆主要有3 种：一是用于坍塌重砌的砌筑灰浆，包括顶部墁砖石用灰浆；二是用于修复开裂和空隙的石灰基灌浆；三是勾缝石灰浆。其中，砌筑灰浆的强度应随石、砖变化，对已经受到水溶盐污染的旧砖重砌（择砌）需要砌筑灰浆有高抗硫酸盐的性能。石灰基灌浆料除需要能与砌体中的石、砖、土、旧灰有良好的结合力外，必须和现有砌体具有兼容性，特别是耐硫酸盐、抗冻融性等满足要求，对施工时间也需要把握。勾缝灰浆最容易受到侵蚀，因而需要有一定的早期强度，对盐分有疏导、牺牲的作用，并定期维护修补。

砌筑及勾缝灰浆可使用气硬性高钙石灰，而增加结构安全的灌浆料则宜选择水硬性石灰砂浆。气硬性石灰适合作为始建时的灌浆料，但是在已经建成且含有水溶盐的砖石砌体内部数年内也达不到应有的强度。灌浆料的水硬性既可以源自天然的，如低温烧制的含泥质的石灰岩经干法消解[20-22]获得的泼灰具有类似欧洲标准的天然水硬石灰（NHL）性能[21]，也可以在高钙气硬性石灰中添加偏高岭土、低温烧制的超细砖粉、活性火山灰或不高于5%的低热耐硫酸盐水泥等，后者类似欧洲标准的调和石灰（FL）[9]。配方、工艺等需要根据各地段的状况进行调整，并遵循灰作的基本工法。在现代大气环境下，“原材料、原工艺”对镁质石灰建造的长城保护或许不是最好的选项，而通过灰浆配方调整达到“可识别性”等理念[22]可能更能在最大程度保护长城遗址历史信息与科技发展之间找到平衡。□（研究工作是在同济大学高密度人居环境生态与节能（教育部）重点实验室历史建筑保护实验中心完成的。研究工作得到国家自然科学基金面上项目：明砖石长城保护维修关键石灰技术研究[批准号51978472]、北京建筑大学“明代砖石质长城保护维修指导性文件编制项目”等资助；研究工作也得到北京古建筑研究所张涛、北京市古建筑公司李博等人的帮助，除作者外，汤众、周月娥、居发玲、Tanja Dettmering、胡战勇、何政等参与部分研究工作，在此表示感谢。）

注释

1）“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，堀取受燔；土面见风者不用。燔灰火料，煤炭居十九，薪炭居什一。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。”

2）“灰一分入河砂黄土二分，用糯米、羊桃藤汁和匀，经筑坚固，永不隳坏，名曰三合土。”

3）《大明会典·卷190·物料》记载：“石灰：诸司职掌：凡在京营造，合用石灰。每嵗于石灰山置窑烧炼，所用人工窑柴数目俱有定例。如遇各处支用，明白行下各该管人员放支，其管事、作头，每季交替。仍将所烧过物料，支销见在之数明白交割。每窑一座，该正附石灰一万六千斤，合烧五尺围芦柴一百七十八束，计七十五工。”

4）明代葛昕所著《集玉山房稿》写道：“照得砖石所需，全赖石灰，为数颇巨。若验收无别，则弊窦易生。查得马鞍山烧运灰，色洁白;军庄灰，性稍次。且道路有远近，价值有多寡。合无以十分为率，军庄止准烧三分，严行该管司官各另给号票，运送监工官处对票验收。原驮不得卸地堆积，以滋守候等弊。仍不许将军庄灰充马鞍山白灰，及将沙石掺和希冒价值。违者管工官从重究治。庶宿弊可厘，而灰皆实用。”