古建筑修复技术<br/>——灰作材料的应用研究

古建筑修复技术
——灰作材料的应用研究

2024-01-12邱振原董作荣兰可染邓嘉美曾芯悦

嘉应学院学报 2023年6期

邱振原,董作荣,沈飞,兰可染,邓嘉美,曾芯悦

（嘉应学院土木工程学院，广东梅州 514015）

0 引言

灰作材料为水泥未普遍运用前，建筑上的最重要的材料与技术之一，而近年来逐渐凋零或失传，但其在古迹与历史建筑的运用极广，故本研究的目的在利用匠师口述灰作配比，试验不同白灰原料，找出最适合于面层抹灰配比材料.本研究从国内古文献的搜集及相关研究成果整理分析，以了解贝壳石锻烧成的石灰、煅烧出的燔石（石灰石）、蛎灰等传统灰作的作法、材质、配比等，以供田野调查、实验分析等相关研究之参考；透过对传统匠师的访谈，以了解各种灰作之组成、配比以及古建筑修复工程的灰作质量不佳问题，包括施工后石灰材料体积收缩产生裂缝大小等；灰作材料使用各种不同类型的白灰，其性质差异颇大，影响质量甚剧，文献较少有灰的试验研究.

本研究经由访谈得知灰作材料与配比，进行试体制作试验以了解材料性质.另外，亦对硓占石灰蛎壳灰，大理石石灰等3 种常见石灰原料，委托SGS 专业第三方测试、检验和认证机构进行化学检验分析，以了解其组成成分之差异，以作为判断其性质差异之原因.

1 古文献整理分析

据《左传》所述：成公二年（公元前635 年）“八月，宋文公卒，始厚葬，用蜃炭”.这里所说的“蜃炭”，《左传注疏》里指明“烧蛤为炭，亦灰之类”.[1]说明用贝壳石煅烧成的石灰，在中国春秋战国之时已被人们所认识，并利用灰类极易吸收水分的特性，将其用于防潮.石灰用于粉刷墙面，在《周礼考工记》已有记载，谓之“以蜃灰垩墙”.其他在古籍专书中以明宋应星《天工开物》石灰制作和宋李诚《营造法式》所述及的灰作制度最具代表.

1.1 《天工开物》分析

《天工开物》记载从17 世纪以来，中国已有采矿冶炼等技术，并建立唐宋时期的基础，且愈提升操作水平，文中对于砖瓦制造、陶瓷冶炼、金属器具、舟车制造、采矿化工、造纸印刷等均有陈述，各种原材料的产地及加工时的用量与加工过程等亦有记载.在卷中第十一章里分述之章文为“宋子日：五行之内土为万物之母，子之，贵者岂惟五金哉，金与火相守而流，功用谓莫尚焉矣，石得燔而成，功盖愈出而愈奇焉，水浸滛而败，物有隙必攻，所谓不遗丝发者，调和一物以为外，拒漂海则冲洋，澜黏甃则固城雉不烦，历侯远涉而至宝，得焉，燔石之功殆莫之，与京矣至于矾，现五色之形硫为群石之，将皆变化于烈火，巧极丹铅，炉火方士纵焦唇舌何尝，肖像天工之万一哉”.[2]

记述中，宋应星曾说过五行（金、木、水、火、土）里土为万物之母，土坯里蕴藏许多宝藏，含有金、银、铁、铜、锡等统称五金，最好的可提炼为黄金，而矿石经煅火烧成再经水化后即可成为建筑体最有用的建筑材料：石灰可作为基础、筑墙及相关建材之黏着等用途，而它之取得均在邻近地区，所煅烧出来的燔石（生石灰）以青色为上等材，黄色次之，而此种可成灰之石均在土内2～3 尺深以上挖取，经底层为木材、一层迭石、一层煤炭泥饼之铺成后煅烧，因火候不均而有优劣之质的生石灰.经风化或水化后成熟石灰再经养灰后调配各种拌合物，加桐油、鱼油则成油灰；可与绢做补缝材料；砂土拌合后之灰材可砌墙加上麻绒与纸筋可做喷及墙壁之表面材料；拌砂土外再加适量的糯米、羊桃藤汁等可筑坚固之三合土墙.而在台闽沿海地区因燔石不易取得，则以蛎灰为代用品，由蛎蚝壳经火煅烧后而成之灰，未经煅烧或火候不足者为不合格之材料.

1.2 《营造法式》分析

《营造法式》为中国现存时代最早、内容最丰富的建筑学著作.北宋绍圣四年（1097）将作少监李诫奉令编修，元符三年（1100）成书，崇宁二年（1103）刊印颁行.本书内容除行政管理上“关防工料”的要求外，侧重于建筑设计、施工规范，并有图样，是了解中国古代建筑学研究古代建筑的重要典籍.全书34 卷，书前另有看样、目录各一卷.“看样”的内容主要是各“作”（工种）制度中若干规定的理论或历史传统根据的阐释.

包括建筑物各个部分的设计规范、比例的标准数据、施工方法和工序、各种构件的权衡、用料的规格或配合成分，砖、瓦、琉璃的烧制方法.卷十六至卷二十五为“功限”，详细列举各种工程所需的制作和安装之单位工作量，各工种所需辅助工（供作功）数量，以及舟、车、人力等运输所需装卸、架放、牵拽等工额.卷二十六至卷二十八为“料例”，规定使用材料的限量.其中或以材料为准，如列举当时木料规格，注明适用于何种构件；或以工程项目为准，如粉刷墙面（红色），每一方丈干后厚一分三厘，需用石灰、赤土、土朱各若干斤.卷二十九至卷三十四为图样.以上制度、功限、料例、图样等部分，均按壕寨“土作”、石作、大木作、小木作、雕作、旋作、锯作、竹作、瓦作、泥作、彩画作、砖作、窑作等13 个工种分别记述.这些工种的内容，一部分同后世的分工相近.本书中虽对灰作并没有太多的叙述，但在卷十三及二十五均述及泥作用料、工限及作法等.

2 国内研究成果整理分析

在张海清等古建园林技术中“古建筑灰浆”，国内傅统匠师中有“九浆十八灰”之说法，在古建筑施工过程里，灰浆广泛使用在砌墙、抹饰上，主要为分述古建筑常用之灰及浆的配比、制作方式和用途[3].在明、清官式建筑中之层顶作法，灰背作法是解决平台屋顶以及天沟等部位防水问题之措施，并记载传统灰背操作方式、宫廷灰背作法中的几种特殊手法，如压麻作法、锡背作法、油衫纸作法、三麻布作法、盐卤铁作法，而现行之灰背作法则简化步骤[4].砖瓦抹灰工工艺学，其主要将砖、瓦抹灰工常用材料，配合技术数据，反映施工需要，其中灰主要用在研筑材料之特性、种类、配比所运用步骤及注意事项，并将抹灰工程的质量要求和检查方法明确的列出[5].

3 传统匠师的配比

依采访匠师口述灰作经验，将访谈匠师所得各项灰作材料及配比如：泼灰、黄土、砂、石灰、水、碎石、糯米浆、海菜浆、黑糖水、鸭蛋白、麻绒等材料，实际拌合成5 公分立方试体.试体抗压强度介于3.44～23.46 kgf/cm2，平均抗压强度约为9～10 kgf/cm2，而其中添加水泥粉之配比试体之抗压强度普遍偏高.

研究评析：（1）此研究提供较为完整的各项灰作作法与配比；（2）对于灰作中的各项材料之特性作整理说明；（3）此研究的试验计划之试验内容、控制变数并未十分清楚，实验结果之分析不够明确，且缺乏抗压性质以外的试验内容.

4 灰作工程现况面临之问题

灰作工程现今主要运用于古建筑修复工程之中，但在实际运用层面上却面临了下列诸多的问题，有待进一步研究找出解决之道：（1）一般土水匠师已对灰作之技艺不熟练.灰作的操作程序复杂，使用的部位广泛，使用配比的种类亦多，但在水泥出现后逐渐消逝，近年来，有经验的老匠师逐渐凋零，多数的泥水匠师皆无灰作实际操作的经验，大多为对古建筑修复工程之需要，由较具经验的灰作匠师指导学习灰作技艺，但技艺熟练度不足，造成古建筑修复灰作的质量低落；（2）灰作操作程序容易为匠师所简化.灰作操作程序繁复，费时亦费工，所以有关泼灰、过节、养灰、锤炼等重要步骤，往往为匠师所简化，甚至有些泥水匠师完全不知这些步骤，导致灰作质量不佳；（3）检查验收无一定规范基准.因灰作目前尚无规范建立，故检查验收无一定基准，往往仅于面层作白灰粉刷，而非原有完整的交作作法.

5 实验

本次灰作材料性质之试验研究目的，重点着重在探讨白灰原料来源不同其对应的性质之差异；另外，有关传统灰作重要的操作项目如泼灰、养灰等，亦透过实际操作，来观察了解其要领与材料特性.

5.1 试验配比

本次研究实验的主要重点为不同白灰原料来源性质差异的基础研究，所以在配比设计上，以变数最少为原则：（1）纯灰.纯灰的试验不添加白灰以外的材料，取用时为养灰槽中沈淀部分的白灰泥，以探讨单一白灰的性质差异；（2）砂灰.以砂与白灰体积比2∶1 的配比混合，白灰为养灰槽中沈淀部分的白灰泥，以探讨白灰泥加砂后的性质差异；（3）麻绒灰.白灰胶泥为提高其施工的稳定性与防止龟裂，通常会添加麻绒等纤维物（见图1），此类灰称为麻绒灰或麻刀灰.依用途不同可再分为大麻绒灰及小麻绒灰.

图1 粗麻绒和细麻绒两种材料

大麻绒灰：长度约3～5 cm，与灰的调和比例100∶5，用于面层灰的打底找平.小麻绒灰：长度不大于1.5 cm，与灰的调和比例100∶·（3～4），用于面层抹灰.

本研究以白灰与麻绒重量比100∶5 的配比养灰，白灰为过筛后之白灰，以探讨麻绒添加的养灰过程与麻绒灰的材料性质.

5.2 试体制作

（1）将试体取出进行试体编号，见图2；（2）试体放置于工作台上检视其外观并记录之；（3）用锉刀将试体突出部分予以锉平；（4）以光标尺测量试体尺寸并记录之，准确单位至mm；（5）启动弯曲试验机，将机台面下降至适当高度；（6）以水平气泡仪调整机台面，使之呈现水平；（7）开始手动加压施力，随着载重增加持续观察试体变形与破坏情形；（8）当试体达最大破坏时，记录其最大抗压载重，见图3.

图2 试体制作

图3 实验前试体外观及试验后试体破坏

5.3 抗压强度试验结果

（1）以下兹就各龄期各试验材料经抗压试验所得之数据，加以整理成表1，整理统计见图4、5.

表1 灰作材料各龄期抗压强度试验比较表

图4 灰作材料各龄期最大荷重(kg)统计图

图5 灰作材料各龄期抗压强度(kg/cm2)统计图

本次研究实验为不同白灰原料性质差异的基础研究,抗压强度（不加砂）,17～21 d 期间，抗压强度依大小顺序为硓古石灰、蛎壳灰、大理石石灰，除大理石石灰外，主要成长期为7～14 d，14～28 d 期间强度变化不大，显示己经步入稳定阶段，部分则有些微的强度下降.

大理石石灰的初期抗压强度极低，但14～21 d 其间，强度有明显成长，成长超过5 倍，而21～28 d 期间，仍持续高度成长，而其28 d 强度己成长至仅次于硓古石灰之强度.

抗压强度（加砂，砂与灰比例1∶2）,加砂平均约可提升抗压强度22%.但以蛎壳灰加砂抗压强度提升最少（5%）.7～21 d 期间，抗压强度之比较与不加砂相同，依大小顺序为硓古石灰、蛎壳灰、大理石石灰，主要成长期亦是与不加砂相同为7～14 d 时期；加砂蛎壳灰在14 d 后进人稳定期，但是加砂硓古石灰14 d 后有明显下降之超势.

加砂大理石石灰的初期抗压强度极低，但与未加砂者比较，强度成长稍快；14～21 d 期间，强度有明显成长，而21～28 d 期间，仍持续高度成长，而其28 d 强度己成长至仅次于硓古石灰.

上述的试验成果，推论硓古石灰抗压强度特别高，可能系因其所含SiO2（含砂量）最高有关，SiO2除可增加抗压能力外，且形成较大的颗粒孔隙，可加速石灰碳化成CaCO3.

大理石石灰的初期抗压强度极低，与其保水性能极强有关，但拆模后强度便明显提升，因可加速水分的蒸散与碳化的作用.

5.4 各检验样本的成分检验结果

据文献与匠师访查得知各种不同类型的白灰，其性质差异颇大，但其原因不甚清楚，唯有透过白灰成分分析检验，才能推测判断其性质差异之原因.

本研究将所能取得的白灰及其原料，包括硓古石灰、蛎壳灰，大理石石灰、取得适量的样本，以作为分析之用.本研究主要的检验项目为各样本中组成成分检验，而组成成分以各金属氧化物为主，包括CaO、SiO2、MgO、SO3、Al2O3、Fe203等.其检验方法为以X-射线荧光分析仪（WD-XRI）分析.

有关各检验样本的成分检验分析结果整理于表2，并将组成成分中较重要的成分，如CaO、Mgo SiO2，各检验样本的成分检验分析结果见图6.

表2 各检验样本的成分检验分析结果 %

图6 各检验样本的成分检验分析结果图

以下按各项检验样本中各成分比重之差异，探讨分析白灰材料性质差异的因素.

（1）氧化钙（Cao）.氧化钙（Ca0）为白灰中的最主要成分，共检验结果气化钙（Cao）含量比例顺序为

其中，大理石石灰的CaQ 成分含量最大.而贝类灰中，蛎壳灰之氧化钙（Ca0）含量大于硓古石灰，与本研究发现硓古石灰的杂质较多一致.

（2）氧化镁（MgO）.氧化镁（MgO）为白灰中次重要的成分，其比重多寡影响白灰的性质颇多，其检验结果氧化镁（MgO）含量比例顺序为

其中，大理石石灰Mgo 成分含量最低，硓古石灰及蛎壳灰Mgo 成分含量高.

（3）二氧化硅（SiO2）.二氧化硅（SiO2）主要是代表样本中砂子的成分，其检验结果含量比例顺序为

贝类灰的二氧化硅（SiO2）较高，尤其是硓古石灰，其砂子颗粒极为明显，但因颗粒过细，难以筛除，可建议于灰作施作时减少砂的添加.

（4）氧化硫（SO3）.其检验结果为大理石石灰特低、蛎壳灰最高.

（5）三氧化二铝（A1203）.其检验结果为硓古石灰、蛎壳灰特别高，可显示贝类灰的三氧化二铝（A1203）较岩石灰为高，而大理石石灰特低.

（6）三氧化二铁（Fe2O3）.其检验结果为硓古石灰、蛎壳灰较高，大理石石灰特低.

5.5 试验结果

试验结果见图7，其中：（1）硓古石灰.形成2 条大裂缝,裂缝宽度为0.5 mm 与0.2 mm,区分成三个区域，各区域内并无其他裂缝；（2）蛎壳灰.有1 条0.5 mm 裂缝横贯表面，另有数条0.2 mm 的较小裂缝，其他并无裂缝；（3）大理石泼灰.除四个角隅有宽达3 mm 的裂缝外，并无其他的裂缝.