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古建筑里的“添加剂”

2020-01-06 07:59:41 常识就是力量 2020年11期

周乾

猕猴桃糯米味的城墙

糯米又称江米,主要成分为支链淀粉,化学结构式为(C6H10O5)n,其中C6H10O5表示脱水葡萄糖单位,n表示脱水葡萄糖单元数量。糯米不仅用于食品加工,而且在中国古代建筑工程中得到了充分运用。明代科学家宋应星所著的《天工开物》中就有这样一段记载:“用以襄墓及贮水池,则灰一分,入河沙、黄土二分,用糯粳米、羊桃藤汁和匀,轻筑坚固,永不隳坏,名曰三和土”。这句话的意思就是,在砌筑墓地、蓄水池等地下建筑时,用石灰、沙子、黄土按1:2:2混合,再掺入糯米、猕猴桃汁拌匀,即可建造出牢固不坏的建筑,而这种土,也称为三和土。此外,南京明故宫建造所用的灰浆成分中也含有糯米。明代学者吕毖所著《明代小史》就反映了南京城在建造时,往砌筑砖墙的石灰中掺入秫粥(糯米熬成的粥)的过程。

南京明故宫午门城台

故宫慈宁花园临溪亭

在清代皇家建筑——惠陵工程的基础施工中也有灌糯米浆的传统做法,即把煮好的糯米汁掺上水和白矾以后,泼洒在打好的灰土上而后进行灰土施工。在第一次灰土施工夯实后、第二步灰土施工前,在拐眼上再洒两次水,第一次为了成水并掺有糯米汁,第二次为3成水,以利于糯米汁渗入灰土中。这说明,古代工匠充分认识到了糯米对提高建筑基础强度和黏结性能的有利影响。

20世纪末,故宫古建筑在维修工程中,发现了几处元、明时期遗留下来的旧房基础,基础中不仅含有石灰,而且还有白色米粒,且见风变硬,表面泛有一层白霜,抗压强度犹如现行标准砖。尽管没有证据证明白色米粒即为糯米,但可以肯定的是,古人早已利用稻米类植物的黏性来加固地基。近年来,研究人员在通过对故宫内慈宁花园、长春宫怡情书史、养心殿燕喜堂三处位置的建筑灰浆进行取样分析后发现,这三处古建都包含了糯米成分,说明紫禁城建筑工程中运用了糯米材料。

清代皇家建筑——惠陵隆恩殿

常识链接

城墙中的糯米是如何加固城墙的?

灰土中的氧化钙(CaO)与水反应生成氢氧化钙〔Ca(OH)2〕,再与二氧化碳(CO2)反应生成碳酸钙(CaCO3),反应方程式如下:

CaO+H2O=Ca(OH)2→Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

研究表明:掺入糯米的灰浆具有强度大、韧性好、防渗性好、防腐性好等优点,其主要原因在于:糯米主要成分中的支链淀粉为树枝型分支结构的多糖大分子,黏性很强,其空间形态交错有序,形成吸引力很大的空间网格,可限制氢氧化钙〔Ca(OH)2〕与二氧化碳(CO2)的反应,对碳酸钙(CaCO3) 方解石结晶体(灰土中的石灰)的大小和形貌也有调控作用,因而有利于结晶体的致密。

防腐,防渗“小能手”——桐油

桐油是一种植物蛋白胶,一般通过冷榨3~4年的桐树籽得来,外观呈浅棕黄色。桐油主要成分为脂肪酸甘油三酯混合物,桐油分子式中含有3个长分子链,每条分子链上均有3个共轭双键,使得桐油具有很强的反应活性、干燥性能及聚合性能。当桐油覆盖在物体表面时,其很容易吸取空气中的氧气成分而产生表面膜,从而使得覆盖物得到保护。不仅如此,桐油还是一种有毒性的高分子植物,渗入木材内部后,能阻止菌虫生长繁殖,从而起到防腐作用。

桐树果子会在成熟后外壳炸开

直接由桐树籽冷榨的桐油可称为生桐油。生桐油油质透明,略带黄色,耐候性好,不易老化,干燥慢,古時便有工匠利用生桐油来对木材表面进行防腐、防渗以及防潮处理的做法。明代科学家徐光启所著《农政全书》中指出,在木材内部注入生桐油,可达到防腐效果。又如明代科学家宋应星所著《天工开物》中载有“凡船板合隙缝以白麻斫絮为筋,钝凿极入,然后筛过细石灰,和桐油舂杵成团调舱”,即古代工匠在造船时,为防止板缝漏水,首先用麻料塞入船缝,再用石灰与生桐油的混合物抹实,以达到防渗的效果。故宫地基施工工程中,重要宫殿建筑的基础防潮处理方式为:采用生石灰、黄土、碎砖及生桐油的混合物,夯实后的土层便可以经久保持干燥,从而达到防潮效果。此外,因为故宫地下水比较丰富,古代工匠在有地下水位置夯打土层时,会在土层下使用木桩。从已经发现的几处地下木桩层来看,木桩表面虽然很潮湿,但并无糟朽现象,可见生桐油在建筑表面上的防腐、防渗“威力”有多显著。

故宫木桩基础表面很潮湿,但并无糟朽现象

生桐油与土籽灰、樟丹混合熬制可形成灰油。灰油容易起皮,表面无光泽,不能作为面层涂料;但灰油具有干燥快、防潮好、防水性强等特点,因而可起到胶结砖灰的作用。生桐油如果和苏子油、土籽混合熬制可形成光油。光油不仅具有较高的强度、韧性、耐水和耐磨性能,而且表面光亮,因而用于罩面油。紫禁城古建筑内的金砖地面铺墁,有一道能充分发挥生桐油、灰油和光油材料特性的工序,那便是大名鼎鼎的“使灰钻油”。“使灰钻油”工序规定,在铺墁完的金砖面层上分3次浇筑桐油,第1次是在干透的地面上刷生桐油1~2遍,第2次用麻丝搓1~2遍灰油,第3次再刷1~2遍光油。经过这一系列的工艺,浇筑桐油的金砖地面变得坚固密实,历经数百年光亮如新。需要说明的是,此处的“金砖”并非金子做的砖,而是明清时期由苏州陆慕御窑村所造,专供皇宫重要宫殿地面铺墁的砖,由于其烧造工艺复杂,造价极为昂贵,因而被称为“金砖”。

古建筑中的一味“猛药”——白矾

白矾别名明矾、矾石,是中国传统中药药材之一,主要成分为硫酸铝钾[KAI(SO)2·12H2O]。其内服有止血止泻、祛除风痰的功效,外敷则有解毒杀菌、燥湿止痒的功效。不仅如此,中国古建筑基础、瓦石、彩画等工程中也都巧妙地掺入了白矾,增强了古建筑本身的防破坏“抵抗力”。

苏州御窑金砖博物馆展示的金砖(图片来源/苏州御窑金砖博物馆)

颐和园十七孔石桥

紫禁城古建筑基础分层清晰可见

紫禁城古建筑在600年里历经了数次地震而保持完好,基础的稳固作用是重要前提。紫禁城建立在元代皇宫遗址上,其基础做法特征为:元代皇宫原有地基被全部挖去,取而代之的是重新由人工进行回填基础,即一层三七灰土(生石灰与黄土的质量比为3:7)、一层碎砖,反复交替。其中,灰土层主要便是由灰土、糯米和白矾组成,其中一道重要的工序便是将煮好的糯米汁掺上水和白矾以后,泼洒在打好的灰土上。现代科学研究表明:明矾掺入灰土后,会形成钙矾石,其固相体积膨胀对糯米灰浆的干燥收缩起了一定补偿作用,因而有利于提高灰土的抗压强度、耐水性能和耐冻融性能。

而在另一处世界学问遗产——颐和园中,有一座著名的十七孔桥。它是北京园林中最长最大,且孔数最多的石桥,而其铺墁所用灰浆多含有白矾。掺入白矾的灰浆材料不仅使得石材与基层牢固结合,还具有防水效果。另外,在石材工程的加固修缮中,部分松动的石材在采用铁件拉接时,一般需要用白矾水灌入石材与铁件之间的缝隙中,当水分挥发后,白矾变成硬质结晶体,就可以将铁件固定在石材中。

先容完了地基以及石材工程,接下来就让大家把目光转移到建筑内部,也就是建筑中的彩画上。彩画除了有装饰作用外,还能够保护木构件,使之免受空气中的化学成分侵蚀或虫蛀。北京天坛皇穹宇内的彩画在绘制过程中,一般会用到胶矾水,而胶矾水是由白矾、水胶(由动物骨骼熬制成的胶)按1:1比例混合,再掺入适当清水搅拌而成。彩画的地仗层(用灰油、白面、石灰水、血料、砖灰、线麻、夏布等材料组成的彩画基层)做好后,在其表面刷一层较稀的胶矾水,可以使地仗的底色与染色互不混淆吸附,有利于彩画纹饰清晰地粘印在地仗表面。胶矾水还可以起到阻隔地仗层的油气返出、防止地仗層中的砖灰返碱并与彩画颜料发生化学反应等作用,以保证彩画颜色的干净和鲜艳。

中国古建筑的施工中采用了糯米、桐油、白矾等多种“添加剂”,它们与灰土、砂浆等材料产生了物理和化学反应,成为木材、砖石等构件表面的防护层,使得古建筑的坚固性和耐久性得以提高。这不仅有利于古建筑本身的稳固长久,而且还体现了古代工匠卓越的建筑智慧。

(责任编辑/陈天昊 美术编辑/李子夜)

天坛皇穹宇内的彩画

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