传统糯米灰浆科学原理及其现代应用的探索性研究
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摘要
糯米灰浆是我国古代应用最广泛的建筑粘接材料,本文通过对西安明代城墙灰浆样品的DSC-TGA、FT-IR、XRD、SEM分析和碘-淀粉实验表明,灰浆的主要无机成份是方解石晶型的碳酸钙,有机成份主要是没有降解的糯米成份。实验发现,糯米浆对碳酸钙方解石结晶体的大小和形貌有明显的调控作用,在一定浓度范围内,糯米浆浓度越大,生成的方解石结晶度越低,颗粒越小,结构也越致密;同时,糯米淀粉能够很好地粘结碳酸钙纳米颗粒并填充其微孔隙。这些是糯米灰浆具有强度大、韧性好、防渗性优越等良好力学性能的微观基础。另一方面,受糯米浆包裹而反应不全的石灰又抑制了细菌的滋生,使糯米成分长期不腐。糯米灰浆应该是中国古代建筑史上的一项重要科技发明。对糯米一石灰清液加固性能和膏浆粘接性能等方面的实验室研究表明,糯米灰浆加固性能良好,完全可以作为今天古建筑修复材料使用。同时,利用糯米灰浆的生物矿化机理,有可能开发出与建筑物本体和谐、与环境友好的新型文物加固材料。
The authors,from the Laboratory of Cultural Relics Conservation Materials of the Department of Chemistry at Zhejiang University in Hangzhou,point out that sticky rice mortar was an organic-inorganic hybrid splicing material used extensively in ancient Chinese buildings because of its excellent performance.In this paper,mortar samples from the city wall of the Ming dynasty in Xi'an were analysed using FT-IR,DSC-TGA,SEM and XRD technologies.These tests demonstrated that the main inorganic ingredient was calcite and,based on the results of FTIR and starch-iodine testing,the organic composite was proved to be sticky rice.Further study showed that the amount of calcite was controlled by the quantity of sticky rice;the more the sticky rice,the more extensive the degree of crystallization of the calcite,the smaller the size of the calcite particles and the denser the mortar.The gaps between the particles of calcite were filled with sticky rice and all the particles of calcite formed a composite.These findings demonstrated why sticky rice mortar is so effective.On the other hand,due to the antibacterial activity of unaltered calcium hydroxide,the sticky rice can survive for a long time,and this is why it was an important technological invention in the history of construction in ancient China.The reinforcing performance of sticky rice-lime liquid and sticky rice-lime mortar were also studied.The results indicated that the reinforcing performance,such as cementation ability,resistant force,surface hardness and waterproofing ability,was greatly improved when sticky rice and lime were used in an appropriate ratio,which suggests that the formulation of the sticky rice mortar was correct from the perspective of material science.As a material used for thousands of years,its efficacy and compatibility with ancient buildings and the environment make sticky rice mortar highly suitable in the repair of old buildings.Following the bio-mineralization of sticky rice mortar,new materials compatible with ancient buildings and the environment can be examined for use in the restoration of historic relics.
The authors,from the Laboratory of Cultural Relics Conservation Materials of the Department of Chemistry at Zhejiang University in Hangzhou,point out that sticky rice mortar was an organic-inorganic hybrid splicing material used extensively in ancient Chinese buildings because of its excellent performance.In this paper,mortar samples from the city wall of the Ming dynasty in Xi'an were analysed using FT-IR,DSC-TGA,SEM and XRD technologies.These tests demonstrated that the main inorganic ingredient was calcite and,based on the results of FTIR and starch-iodine testing,the organic composite was proved to be sticky rice.Further study showed that the amount of calcite was controlled by the quantity of sticky rice;the more the sticky rice,the more extensive the degree of crystallization of the calcite,the smaller the size of the calcite particles and the denser the mortar.The gaps between the particles of calcite were filled with sticky rice and all the particles of calcite formed a composite.These findings demonstrated why sticky rice mortar is so effective.On the other hand,due to the antibacterial activity of unaltered calcium hydroxide,the sticky rice can survive for a long time,and this is why it was an important technological invention in the history of construction in ancient China.The reinforcing performance of sticky rice-lime liquid and sticky rice-lime mortar were also studied.The results indicated that the reinforcing performance,such as cementation ability,resistant force,surface hardness and waterproofing ability,was greatly improved when sticky rice and lime were used in an appropriate ratio,which suggests that the formulation of the sticky rice mortar was correct from the perspective of material science.As a material used for thousands of years,its efficacy and compatibility with ancient buildings and the environment make sticky rice mortar highly suitable in the repair of old buildings.Following the bio-mineralization of sticky rice mortar,new materials compatible with ancient buildings and the environment can be examined for use in the restoration of historic relics.
引文
<1>柳俊哲：《土木工程材料》页3<7>科学出版社，2005年。
<1>卢连成：《关于我国新石器时代“白灰面”建筑性质的探讨》，自然科学史研究所主编：《科技史文集》第14辑页10<7>上海科技出版社，1985年；仇士华：《人工烧制石灰始于何时?C~(14)方法可以判定》，《考古与文物》1980年第5期，页126-130；姚远：《汉代长安词典·科学技术》页477-47<8>陕西人民出版社，1993年。
<2>春秋左丘明：《左传》页28<9>岳麓出版社，2001年：邢景文：《陕西古代科学技术》页161-16<3>中国科学技术出版社，1995年；王开：《陕西古代道路交通史》，人民交通出版社，1989年：河南省文化局文物工作队：《邓县彩色画像砖墓》，文物出版杜，1958年。
<3>河南省文化局文物工作队：《邓县彩色画像砖墓》，文物出版社，1958年。
<4>明宋应星：《天工开物》卷中〈燔石〉，第十一卷页四二“石灰”，明崇祯初刻本；吴庆洲：《中国古城防洪的历史经验与借鉴(续)》，《城市规划》2002年第5期，页76-84。
<5>江苏省文管会：《江苏淮安宋代壁画墓》，《文物参考资料》1960年第9期，页43；河北省文物研究所：《石家庄后太保村史氏家族墓发掘报告》，《河北省考古文集》页344-36<9>东方出版社，1998年；刘晓东：《金代土坑石椁墓及相关问题》，《青果集——吉林大学考古专业成立二十周年考古论文集》页397-40<1>知识出版社，1993年：杨根来：《从古代墓葬文化看遗体的防腐技术》，《长沙民政职业技术学院学报》2004年第4期，页11-15；马健：《华东交大惊现王妃墓》，《文物世界》2002年第4期，页3-6；得安县博物馆：《江西德安代熊氏墓清理简报》，《南方文物》1994年第4期，页5-9。
<6>彭适凡：《再论古代南昌城的变迁与发展》，《南方文物》1995年第4期，页86-98；张驭寰：《中国古代建筑技术史》页17<3>科学出版杜，1985年；吴庆洲：《明南京城的军事防御体系研究》，《建筑师》2005年第2期，页96-101；赵彤梅：《商丘归德府古城城门建筑特点》，《山西建筑》2007年第6期，页63-65；王新生：《古城墙修缮及应用技术初探》，《古建筑园林技术》2004年第1期，页20-22。
<7>王致诚：《水下古市—泗州城》，《百科知识》2005年第11期，页54-56；余焕阳、陈单：《钱塘江明清古海塘旅游资源的保护与开发》，《浙江水利科技》2004年第4期，页9-10；王燕谋：《中国水泥发展史》，中国建筑工业出版社，2005年：蔡树传：《江苏古桥概述》，《古建筑园林技术》2001年第3期，页48-54；武汉市博物馆：《武汉地区的古代桥梁》，《武汉文史资料》2001年第9期，页45-48；陆翔：《龙桥古今》，《文博》2007年第2期，页56-57；王文鹃：《昆明市护国桥的检测、评定及修复加固设计》，《昆明市云南交通科技》2001年第2期，页44-48。
<8>申秀英、刘沛林、Abby Liu：《开平碉楼景观的类型、价值及其遗产管理模式》。《湖南文理学院学报(社会科学版)》2006年第4期，页95-99。
<9>蔡济世：《资源型生态土楼》，《建筑学报》1995年第5期，页42-44。
<10>宋江修复：《邻几杂志》，《说郭》卷三○，上海古籍出版社，1988年。
<1>李绪洪、邓其生：《石经幢的艺术鉴赏——以潮州开元寺石经幢为例》，《古建园林技术》2005年第3期，页32-34。
<2>林建生、林子健、陈俊峰：《历史大震与泉州古建筑塔寺桥类的结构抗震》，《世界地震工程》2005年第2期，页159-166；季士家：《明都南京城垣略论》，《故宫博物院院刊》1984年第2期，页70-81。
<3>韩冬梅、郭广生：《化学加固材料在石质文物保护中的应用》，《文物保护与考古科学》1999年第2期，页41-43；Hasan B，Sedat A，Basak I，et al．“Characteristics of brick used as aggregate in historic brick-lime mortars and plasters”。Cement and Concrete Res,2006．36：11115-1122．
<1>Qiang Liu．Bingjian Zhang(张秉坚)，Zhongyue Shen，Huanming Lu，“A crude protective film on historic stones and its artificial preparation through biomimetic synthesis”，Applied Surface Science，200<6>253：2625-2632；刘强、张秉坚：《石质文物表面生物矿化保护材料的仿生制备》，《化学学报》2006年第15期，页1601-1605；刘强、张秉坚、余政炎：《劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究》，《文物保护与考古科学》2008年第1期，页1-6；曾余瑶、张秉坚、梁晓林：《传统建筑泥灰类加固材料的性能研究与机理探讨》，《文物保护与考古科学》2008年第2期；Yuyao Zeng，Bingjian Zhang(张秉坚)，Xiaolin Liang，“A case study and mechanism investigation of typical mortars used on ancient architecture in China”，Thermochimica Acta．200<8>473(1-2)：1-6．
<1>Yuyao Zeng Bingjian Zhang(张秉坚),Xiao Liang,“A case study and mechanism investigation of typical mortars used on ancient architecture in Chian”,Thermochiaica Acta,2008,473(1-2):1-<6>
<2>前揭“A crude protective film on historic stones and its artificial preparation through biomimetic synthesis"，前揭刘强、张秉坚：《石质文物表面生物矿化保护材料的仿生制备》：前揭刘强、张秉坚、余政炎：《劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究》。
<3>前揭：《劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究》；前揭曾余瑶、张秉坚、梁晓林：《传统建筑泥灰类加固材料的性能研究与机理探讨》。
<1>前揭：《劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究》：前揭曾余瑶、张秉坚、梁晓林：《传统建筑泥灰类加固材料的性能研究与机理探讨》。
<1>卢连成：《关于我国新石器时代“白灰面”建筑性质的探讨》，自然科学史研究所主编：《科技史文集》第14辑页10<7>上海科技出版社，1985年；仇士华：《人工烧制石灰始于何时?C~(14)方法可以判定》，《考古与文物》1980年第5期，页126-130；姚远：《汉代长安词典·科学技术》页477-47<8>陕西人民出版社，1993年。
<2>春秋左丘明：《左传》页28<9>岳麓出版社，2001年：邢景文：《陕西古代科学技术》页161-16<3>中国科学技术出版社，1995年；王开：《陕西古代道路交通史》，人民交通出版社，1989年：河南省文化局文物工作队：《邓县彩色画像砖墓》，文物出版杜，1958年。
<3>河南省文化局文物工作队：《邓县彩色画像砖墓》，文物出版社，1958年。
<4>明宋应星：《天工开物》卷中〈燔石〉，第十一卷页四二“石灰”，明崇祯初刻本；吴庆洲：《中国古城防洪的历史经验与借鉴(续)》，《城市规划》2002年第5期，页76-84。
<5>江苏省文管会：《江苏淮安宋代壁画墓》，《文物参考资料》1960年第9期，页43；河北省文物研究所：《石家庄后太保村史氏家族墓发掘报告》，《河北省考古文集》页344-36<9>东方出版社，1998年；刘晓东：《金代土坑石椁墓及相关问题》，《青果集——吉林大学考古专业成立二十周年考古论文集》页397-40<1>知识出版社，1993年：杨根来：《从古代墓葬文化看遗体的防腐技术》，《长沙民政职业技术学院学报》2004年第4期，页11-15；马健：《华东交大惊现王妃墓》，《文物世界》2002年第4期，页3-6；得安县博物馆：《江西德安代熊氏墓清理简报》，《南方文物》1994年第4期，页5-9。
<6>彭适凡：《再论古代南昌城的变迁与发展》，《南方文物》1995年第4期，页86-98；张驭寰：《中国古代建筑技术史》页17<3>科学出版杜，1985年；吴庆洲：《明南京城的军事防御体系研究》，《建筑师》2005年第2期，页96-101；赵彤梅：《商丘归德府古城城门建筑特点》，《山西建筑》2007年第6期，页63-65；王新生：《古城墙修缮及应用技术初探》，《古建筑园林技术》2004年第1期，页20-22。
<7>王致诚：《水下古市—泗州城》，《百科知识》2005年第11期，页54-56；余焕阳、陈单：《钱塘江明清古海塘旅游资源的保护与开发》，《浙江水利科技》2004年第4期，页9-10；王燕谋：《中国水泥发展史》，中国建筑工业出版社，2005年：蔡树传：《江苏古桥概述》，《古建筑园林技术》2001年第3期，页48-54；武汉市博物馆：《武汉地区的古代桥梁》，《武汉文史资料》2001年第9期，页45-48；陆翔：《龙桥古今》，《文博》2007年第2期，页56-57；王文鹃：《昆明市护国桥的检测、评定及修复加固设计》，《昆明市云南交通科技》2001年第2期，页44-48。
<8>申秀英、刘沛林、Abby Liu：《开平碉楼景观的类型、价值及其遗产管理模式》。《湖南文理学院学报(社会科学版)》2006年第4期，页95-99。
<9>蔡济世：《资源型生态土楼》，《建筑学报》1995年第5期，页42-44。
<10>宋江修复：《邻几杂志》，《说郭》卷三○，上海古籍出版社，1988年。
<1>李绪洪、邓其生：《石经幢的艺术鉴赏——以潮州开元寺石经幢为例》，《古建园林技术》2005年第3期，页32-34。
<2>林建生、林子健、陈俊峰：《历史大震与泉州古建筑塔寺桥类的结构抗震》，《世界地震工程》2005年第2期，页159-166；季士家：《明都南京城垣略论》，《故宫博物院院刊》1984年第2期，页70-81。
<3>韩冬梅、郭广生：《化学加固材料在石质文物保护中的应用》，《文物保护与考古科学》1999年第2期，页41-43；Hasan B，Sedat A，Basak I，et al．“Characteristics of brick used as aggregate in historic brick-lime mortars and plasters”。Cement and Concrete Res,2006．36：11115-1122．
<1>Qiang Liu．Bingjian Zhang(张秉坚)，Zhongyue Shen，Huanming Lu，“A crude protective film on historic stones and its artificial preparation through biomimetic synthesis”，Applied Surface Science，200<6>253：2625-2632；刘强、张秉坚：《石质文物表面生物矿化保护材料的仿生制备》，《化学学报》2006年第15期，页1601-1605；刘强、张秉坚、余政炎：《劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究》，《文物保护与考古科学》2008年第1期，页1-6；曾余瑶、张秉坚、梁晓林：《传统建筑泥灰类加固材料的性能研究与机理探讨》，《文物保护与考古科学》2008年第2期；Yuyao Zeng，Bingjian Zhang(张秉坚)，Xiaolin Liang，“A case study and mechanism investigation of typical mortars used on ancient architecture in China”，Thermochimica Acta．200<8>473(1-2)：1-6．
<1>Yuyao Zeng Bingjian Zhang(张秉坚),Xiao Liang,“A case study and mechanism investigation of typical mortars used on ancient architecture in Chian”,Thermochiaica Acta,2008,473(1-2):1-<6>
<2>前揭“A crude protective film on historic stones and its artificial preparation through biomimetic synthesis"，前揭刘强、张秉坚：《石质文物表面生物矿化保护材料的仿生制备》：前揭刘强、张秉坚、余政炎：《劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究》。
<3>前揭：《劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究》；前揭曾余瑶、张秉坚、梁晓林：《传统建筑泥灰类加固材料的性能研究与机理探讨》。
<1>前揭：《劣化石刻表层生物矿化加固材料的探索性研究》：前揭曾余瑶、张秉坚、梁晓林：《传统建筑泥灰类加固材料的性能研究与机理探讨》。
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