长城的构造(【长城研究】关于明蓟镇长城建造使用的石灰(二)偶然与必然?)

2021-07-02 15:45 

长城的构造

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上回说到,在对明蓟镇长城灰浆样品进行检测后发现,其建造使用的石灰在现代分类标准下为镁质石灰。镁质石灰相比钙质石灰,具有密度高、孔隙率低,具有吸水率低、透气率低、抗折强度高的特点,从而拥有更佳的抗冻融性能。
那古人在建造蓟镇长城时使用了白云石灰岩烧制的镁质石灰,是特意为之还是偶然选择?
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04
蓟镇长城分布区地质

我国历史上可能也有以白云石为原料煅烧而来的镁质石灰的记载,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,此白石可能是白云石等白云石灰岩。
我们再来看看明蓟镇长城所处区域的地质岩石。
首先是北京市。

(来源:中国地质图集,马丽芳主编,地质出版社,2002年版)

光看图例我们就可以发现:蓟县群和长城群,便是含有白云岩的地层。叠上明长城的走势,可以看到长城建造的山体有花岗岩、白云岩等,这些地区的长城附近同时存在可以烧制钙质石灰的石灰岩,以及含有镁质石灰的白云石灰岩,而现有样品看,长城石灰却选择以含有镁质的白云石灰岩为主。这也恰好应证了前面提到的“烧白石作白灰”。地质学家在对其命名的时候,是否也考虑到过这层关系呢?
咱们把蓟县群和长城群的图块全部涂红色。根据相关资料记载,八达岭镇石峡村西南250米处有3座石灰窑遗址,为明代修筑石峡至怀来段砖石长城时烧石灰所用的窑址。大概就是这个位置。

(地质图来源:中国地质图集,马丽芳主编,地质出版社,2002年版,并根据中国长城遗产网绘制)
这一块的山体地层的图例表示为涂红的蓟县群和长城群。
再来看看河北省。资料显示潘家口6号敌台之北发现有多处石灰窑址,用于烧制筑边墙白灰。同样的叠上长城走势,位置大约在这儿。

(地质图来源:中国地质图集,马丽芳主编,地质出版社,2002年版)
(长城地图来源:中国长城遗产网)

周围清一色的蓟县群和长城群。
再回到之前从调研取样的地点,也主要覆盖了蓟镇的分布区域,而根据关于蓟镇长城的历史资料发现,这段长城等级之高、规模之大、修筑频繁、灰浆的用量之多,不妨设想,是否有可能在统一军事管理下,整个蓟镇都特意使用了镁质石灰进行建造?

05
为什么选择镁质石灰

那古人特意选择镁质石灰对建造长城有什么优势?
首先,上期说到,镁质石灰的原料——白云石灰岩的分解温度大致为730~900℃,根据原料中镁的成分和石块大小的不同,煅烧的温度可能更低。烧钙质石灰石的温度则需要在900~1000℃。因此,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。
石灰的活性高低主要由温度决定,通常情况下,高温煅烧会导致生石灰的活性降低。低温煅烧更能保证生石灰的高活性。但过低或过高的温度、过短的时间均不能烧制高质量的石灰。当烧白云石灰岩温度高于900℃时,产出的生石灰则不能用作建筑材料。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。同时镁质石灰中氧化镁的消解十分缓慢,熟化的过程体积会微膨胀,即使经过长时间的沉降,灰浆中仍可能存在未水化的部分。而未水化的部分会对之后的一系列反应产生影响。因此,掌握镁质石灰的消解工艺至关重要。且镁质石灰需水量低,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边郊山区进行长城的建造施工。
其次,一系列对石灰的定量、微观分析检测发现,镁质石灰具有特殊且复杂的固化过程,根据不同的环境条件的镁质灰浆碳化产物或反应阶段不同,且完全固化时间需要相当之久。镁质石灰中紧密特殊的晶体结构使得镁质石灰最终强度高,甚至达到弱天然水硬石灰的强度。长城建造至今已有相当长的时间,部分环境较好的镁质石灰已经完全固化,灰浆已形成致密稳定的状态,这也解释了长城灰浆为何表现出如此之高的强度。这种致密结构同时表现出的较低的孔隙率和毛细吸水力,从而拥有更佳的抗冻融性能。加上镁质石灰比钙质石灰更好的“自愈能力”,可以解释长城灰浆良好的耐久性。长城“千年不倒”,或许镁质石灰的使用也是重要因素之一。
 
所以,划重点: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!或许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。虽然今天我们借助于科学实验的方法,对其材料的各项性能有了一定的了解,但我们对其烧制工法、初始性能、演化机制的研究尚待深入,时间与自然力的持续作用是个有意思的话题。
继续下回!

扩展阅读

【创意交流】关于砂浆与灰浆的讨论
【长城研究】关于明蓟镇长城建造使用的石灰(一)镁质与钙质?

   
      文字:王怡婕  戴仕炳 (同济大学建筑城规学院)      图照:同济大学历史建筑保护实验中心团队      编辑:汤羽扬  傅鑫博

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