传统复合灰浆在古建筑中的应用及性能研究综述

本研究从其在古建筑中的应用、科学机理、性能及其提升的影响因素三个方面总结分析传统复合灰浆的研究现状，旨在厘清传统复合灰浆研究中所取得的进展以及尚存在的问题。

1  传统复合灰浆的在古建筑中的应用研究

对文字记载之前的灰浆样本检测统计发现，糯米灰浆的应用不晚于南北朝时期，桐油灰浆的应用最早可以追溯到唐代，在宋代最早发现的蛋清灰浆，而最早含血料灰浆的建筑物建于秦朝。这些衍生的传统复合灰浆在我国古建筑中有着广泛的应用，以下对糯米灰浆、桐油灰浆、蛋清灰浆和血料灰浆4种典型的传统复合灰浆在古建筑中的应用进行总结。

1.1  糯米灰浆应用

明朝《天工开物》 记载：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。这种三合土即糯米灰浆在城墙建造中广泛应用。研究发现，南昌建于唐代的城墙使用糯米灰浆勾缝。

通过碘–碘化钾试剂分析，在北京长城、开封古城墙、凤阳古城墙、南京古城墙、衢州古城墙、荆州古城墙以及武冈古城墙等古城墙中均检测出了糯米添加剂的成分，湖州安城、台州府城、宁波镇海后海塘和湖州孝丰古城中亦检测出糯米成分。糯米灰浆在墓葬和水利工程中也得到了应用。在河南邓县发现的南北朝时期的砖墓以及宋、元、明、清时期的一些墓均使用了糯米灰浆。

1.2  桐油灰浆应用

除糯米外，用桐油或鱼油拌和石灰所形成的桐油灰浆在墓葬中同样具有较好应用。据古文记载，桐油常用于墓葬中“灰隔”的制作。

从湖州明代官员徐杰墓中的灰浆样品中探测到桐油的应用。除此之外，桐油灰浆由于其良好的粘结性和防水性能，在造船和墙面工艺中具有较好的应用。分析检测到南宋时期的沉船“南海一号”的中含有少量桐油。

明代《天工开物》 中记录了将桐油灰浆作为艌料应用于船只中：“凡船板合隙缝，以白麻斫絮为筋，钝凿极入，然后筛过细石灰，和桐油舂杵成团调艙。温、台、闽、广即用蛎灰”。《永定河志》中记载了桐油灰浆运用于墙面工艺和水利设施建造。

1.3  蛋清灰浆应用

蛋清灰浆是一种由蛋清、石灰、粘土等混合而成的传统复合灰浆。根据文献和考古研究，在福建南靖县和安溪县、江西龙南县、广东始兴县等地的防御建筑土楼的墙体中发现了蛋清、糯米等有机物。在岭南、岭北地区桐油、蛋清混合灰浆常用于砌筑墙体。蛋清灰浆也常常用于石窟泥塑、建筑泥塑、壁画和彩绘颜料。

1.4  血料灰浆应用

血料灰浆是一种使用动物血（牲畜血）和石灰、砖灰等制成的胶结能力更好的材料。根据考古研究，血料灰浆在古建筑中的最早应用可以追溯到秦朝秦咸阳宫。故宫武英殿的柱子、圆明园正觉寺的金刚宝座塔在建造时均使用了血料。研究检测出蒙古国博格达汗宫博物馆柱子油饰样品中含有血料。血料灰浆不仅应用于古建筑中，也应用于近现代建筑的修复，如重庆人民大礼堂在2006年的大修中使用血料涂抹梁、柱和枋，保留了大礼堂的原工艺。

含有各种添加剂的传统复合灰浆在古建筑中应用广泛，对维持古建筑的稳定性和完整性起着关键作用，同时体现了我国古代建筑技术的智慧。

2  传统灰浆的科学机理研究

鉴于现代砂浆在对古建筑的修复时会由于自身强度高导致古建本体破坏、改变古建的形貌等弊端，一些学者开展了传统灰浆的科学机理研究。

2.1  糯米灰浆科学机理研究

通过对古建筑中取样的灰浆样品及使用现代材料仿制的灰浆研究发现，糯米浆与碳酸钙在固化的糯米灰浆中呈现出相互填充、紧密结合的状态，形成了独特的有机–无机复合结构，这种结构使糯米灰浆具有强度高、韧性好的优点。

对于糯米灰浆的耐腐蚀性能，研究发现，糯米灰浆在制作过程中会发生生石灰与水的消解反应和消石灰（Ca(OH)₂）电离反应。生石灰的消解反应生成的活性氧对细菌有极强的杀灭作用，此外，Ca(OH)₂溶液为强碱性溶液，强碱环境使得细菌无法生存。

随着消石灰和空气中的二氧化碳反应生成方解石晶型的碳酸钙，糯米灰浆随之逐渐固化，强度也不断提高，直至所有的氢氧化钙完全转化为碳酸钙。整个过程一直处于强碱环境，因此糯米灰浆具有极强的耐腐蚀性。

2.2  桐油灰浆科学机理研究

桐油强度高、干燥快、耐腐蚀性强，因此桐油灰浆在古建筑中应用广泛。此外，桐油灰浆突出的防水防渗性能，使得其在古代造船领域得到了很好的应用。对于桐油灰浆强度等的研究，通过对皖南牌坊上的桐油灰浆的红外图谱分析，得出其强度主要源于3个化学反应：（1）灰浆中石灰的碳化反应形成的方解石对灰浆的强度起到了增强作用；（2）桐油中的不饱和脂肪酸在氧气的作用下发生氧化交联反应，使得桐油分子中的–Rx可能携带了多个酯基；（3）上述酯基在氢氧化钙的影响下发生断裂，并与Ca²⁺形成配位键，最终构建出庞大的网状分子链结构。除此之外，在对龙兴独对坊的桐油灰浆样品进行微结构观察中发现，灰浆中的细小片状颗粒被桐油包裹，颗粒之间彼此交联，呈现出层状堆积的排列方式，从而形成了一种致密且稳定的结构，这也是桐油灰浆表现出优异物理性能的微观原因。桐油与氢氧化钙之间的反应生成了羧酸钙，是使得桐油灰浆具有出色力学性能的另一个原因。

对于桐油灰浆防水性能的研究发现，桐油的主要成分是桐油酸甘油三酯（C₁₈H₃₇NO₃），其共轭双键可以促进氧化聚合。在氢氧化钙溶液中，桐油与Ca²⁺发生反应，脂肪酸相互氧化、裂解、交联，形成高分子量的长链聚合物，这些聚合物具有疏水性，进而使桐油灰浆具有较好的防水性能。

2.3  蛋清灰浆科学机理研究

蛋清是一种胶体物质，主要成分是蛋白质，包括OVT、卵白蛋白、卵类粘蛋白和溶菌酶等。研究发现蛋清在灰浆中发挥的作用如下：（1）蛋清中的蛋白质在碱性环境下部分结构发生变化，使疏水基作用凸显；（2）石灰中的钙离子与蛋白质的羧基结合形成桥键可增强结构稳定性，并赋予灰浆表面活性，同时，蛋清良好的黏接作用可有效提升其稳定性；（3）蛋清可以抑制微生物的生长，保护灰浆不受腐蚀；（4）蛋清中所含有的共价二硫键和氢键和蛋清极强的疏水作用共同构建的网络状的薄膜结构能够有效阻止水分和有害物质的渗透，使灰浆具有了良好的防水功能。

2.4  血料灰浆科学机理研究

血料的加入在灰浆中可以起到加气、提高耐久性、减水、防冻融以及粘结等作用。通过FT–IR、XRD及SEM等试验发现：（1）动物血蛋白控制晶体生长，形成坚硬致密的表皮，进而改善固化灰浆的表面性能；（2）在灰浆内部，这些血蛋白起到了类似引气剂的作用，改善灰浆的耐候性；（3）在灰浆与被粘结物的界面处，血料灰浆的保水性能使灰浆的粘结能力得到了增强。目前，针对血料灰浆科学机理的研究较少，有待进一步研究分析。

上述研究总结了传统灰浆的良好性能的微观解释：（1）糯米和桐油的加入对灰浆生成碳酸钙的过程有明显的调控作用，使碳酸钙颗粒更小、结构更紧密；（2）蛋清的作用机理主要与蛋白质分子及其水化产物在界面处的活性作用紧密相关，同时也离不开生物矿化过程中的调控作用，这两者共同协作，确保了灰浆性能的稳定与提升；（3）血料灰浆性能的提升主要与血蛋白疏水性的增强有关。通过对传统灰浆科学机理的分析，可以了解灰浆的组成、结构、性能以及在古建筑中的作用，为古建筑的修复和保护提供科学依据。

3  传统灰浆性能及其影响因素研究

在对古建筑进行修复和加固时，应秉持“修旧如旧”的原则，力求保持古建筑的原貌和历史文化价值。传统灰浆作为古建筑的主要胶凝材料，对其性能及其影响因素进行研究，可为古建筑的修复提供科学依据和指导。以下将从有机添加剂、无机添加剂、材料配合比和外部因素4个方面进行总结。

3.1  有机添加剂对传统灰浆性能的影响研究

在上述传统灰浆的科学机理研究中提到，古代在灰浆中加入糯米浆、桐油、蛋清、血料等有机添加剂来提高其力学性能及耐久性。一些学者通过从对古建筑中取灰浆样品或仿制传统灰浆研究了不同有机添加物对灰浆力学性能的影响。

（1）糯米浆浓度的变化对传统灰浆性能的影响：通过试验研究发现，随着糯米浆浓度的增加，糯米浆三合土的抗压强度和劈裂抗拉强度均出现先上升后下降的现象，糯米浆浓度为5 %时，其抗压强度和劈裂抗拉强度达到峰值。

（2）桐油等有机物添加量对灰浆性能的影响：通过对一定浓度的糯米灰浆中添加3 %（质量分数）的熟桐油和0.2 %（质量分数）的硅灰制成的灰浆试块的试验研究发现：熟桐油对糯米灰浆早期的抗压强度和抗折强度有显著提升；硅灰的掺入显著提升了桐油–糯米灰浆的早期抗压强度和抗折强度；此外，这两种添加剂也改善了糯米灰浆的耐冻融性和耐久性。通过立方体抗压试验研究发现：糯米浆和麻刀的添加会使灰浆的抗压强度提高，对于桐油灰和桃花灰，石灰含量越高，试件抗压强度越高。

（3）蛋清、血浆的添加对灰浆性能的影响：研究发现，在干燥环境下蛋清可以降低灰浆的吸水率，提高灰浆的抗压强度和表面硬度；在潮湿环境下蛋清的掺入则会降低灰浆的抗压强度和表面硬度。经试验发现，在灰浆中添加1 %的猪血可以提高石灰灰浆的抗压强度，添加量为3 %和5 %时则会显著降低其抗压强度。

从上述研究中发现，不同有机添加物对传统灰浆的力学性能有不同的影响：糯米、桐油、麻刀、桃花灰等添加剂的掺入往往能够显著提高传统灰浆的力学性能；蛋清的加入在使用环境不同时对其力学性能有不同的影响；而动物血浆的添加浓度的升高会导致灰浆力学性能的降低。

3.2  无机添加剂对传统灰浆性能的影响研究

不同学者对不同类别的无机添加剂及其掺量对传统灰浆性能的影响开展了研究，从3个方面进行总结。

3.2.1  砖颗粒、河砂和石英砂

通过对添加了砖颗粒、河砂和石英砂的糯米灰浆试样进行的抗压强度测试发现：3种不同骨料的加入均使糯米灰浆的抗压强度降低，砖颗粒的掺入使其抗压强度下降幅度最低，石英砂的掺入使其抗压强度下降幅度最高。

以石英砂为例发现，石英砂粒径在2~3 mm时，糯米灰浆抗压强度最高；骨灰比为2∶1时，灰浆抗压强度最高，之后抗压强度会随着骨灰比值的增加而降低。

3.2.2  纸筋、硫酸铝、明矾、石膏和硅酸盐

根据文献记载和实践考察，选取纸筋、硫酸铝和二水石膏作为添加剂掺入糯米浆三合土中，通过对其力学性能的研究发现：纸筋和硫酸铝能够显著提高糯米灰浆的抗压强度，增强其表面硬度并改善其耐冻融性；二水石膏的添加能提高其抗压强度和表面硬度，对灰浆的耐冻融性无明显改善。

经研究发现：硫酸铝的添加可显著改善糯米灰浆的力学性能、耐冻融性和耐水性；明矾主要改善糯米灰浆的力学性能；工业石膏的添加对改善糯米灰浆的力学性能和耐久性并没有显著效果。随着硫酸铝和明矾掺量的增加，糯米灰浆的抗压强度会提高。

经研究发现：糯米灰浆的抗压强度随自制硅酸盐含量的增加而提高，自制硅酸盐的掺入可显著提升糯米灰浆的表面硬度，并有效增强其耐水性和耐冻融性。

制作了添加比例分别为0.4 %、0.7 %、0.8 %、0.9 %和1 %的剑麻纤维的改性糯米灰浆试件，并在此基础上添加0.3 %、0.5 %、0.7 %的甲基硅酸钠溶液。通过对标准养护试件的试验发现：随着剑麻纤维含量的增加，改性糯米灰浆试块的抗压强度和抗剪强度均呈现出先增加后下降的趋势；随着甲基硅酸钠溶液浓度的增加，试块的抗压强度和抗剪强度逐渐增加，但增幅较小。

3.2.3  不同类别的纤维

通过对玄武岩纤维的添加和糯米浆浓度对糯米灰浆力学性能的影响研究发现：糯米灰浆的抗压强度和抗拉强度随着糯米浆浓度的增加先增加后减小，糯米浆浓度为6.5 %时，糯米灰浆力学性能最佳；糯米灰浆的抗压、抗折强度随玄武岩纤维掺量的增加先提高后降低，玄武岩纤维掺量为5 %时，抗压、抗折强度达到最大值。

通过对在桐油灰浆中加入大麻纤维制备成灰浆试件进行力学性能测试发现，纤维掺量的增加可以显著改善灰浆的力学性能，纤维的掺入可以提高灰浆的耐冻融性和耐盐结晶性。经研究发现，麻纤维和偏高岭土的掺加对糯米灰浆的抗压强度有提高作用。在氯盐侵蚀和冻融循环的共同作用下，随着麻纤维掺量的增加，改性糯米灰浆的耐久性会出现小幅度的增强；而随着偏高岭土含量的增加，其耐久性会呈现出先上升后下降的趋势。

从上述研究中可以总结得到：（1）砖颗粒、河砂和石英砂的掺入会降低传统灰浆的力学性能；纸筋、硫酸铝、明矾、自制硅酸盐、大麻纤维、偏高岭土的掺入可显著提高传统灰浆的力学性能，而二水石膏、剑麻纤维、甲基硅酸钠溶液、玄武岩纤维的掺入对传统灰浆的力学强度有一定程度的提高；工业石膏对其力学性能没有显著影响；（2）纸筋、硫酸铝、自制硅酸盐、大麻纤维可有效提高传统灰浆的耐冻融性；（3）二水石膏和自制硅酸盐可提高传统灰浆的表面硬度；（4）大麻纤维可提高传统灰浆的耐久性。

3.3  材料配合比对传统灰浆性能的影响研究

不同学者对不同材料配合比对传统灰浆性能的影响进行研究，以下从米浆浓度、水灰比、灰土比等方面进行总结。

以米浆浓度、水灰比、灰土比及改性材料的含量为变量，对糯米灰浆性能研究表明：米浆浓度为5 %，水灰比为0.8时，糯米灰浆的力学性能最佳；米浆浓度为7%，水灰比为0.7，灰土比为3∶7时，糯米灰浆力学性能最优；此外，明矾和二氧化钛的加入可以显著改善灰浆的抗压强度。按石灰与黄土比例为0∶1、1∶50、1∶25、3∶50、2∶25、1∶10制备糯米灰浆试件，通过对其无侧限抗压强度试验研究发现：在同一糯米浆浓度下，试样的抗压强度随石灰掺量的增多而逐渐提高。

上述研究表明，制备灰浆的材料配合比会一定程度的影响传统灰浆的力学性能。目前关于材料配合比对灰浆力学性能影响的研究较少，有待进一步研究。

3.4  外部因素对灰浆性能的影响研究

传统灰浆的性能不仅会受不同添加剂的影响，外部因素如养护时间、干湿循环、冻融循环作用、碳化龄期、糯米浆温度也会对灰浆的力学性能造成影响。

（1）养护龄期：研究指出养护龄期的增加可显著提高糯米浆三合土的抗压强度和劈裂强度。对龄期的研究表明：随着养护龄期的增长，改性糯米灰浆的抗压强度和抗折强度均逐渐增长，并呈现出由缓慢增长变为快速增长的规律，拐点均出现在养护14 d时。

（2）干湿循环、冻融循环作用：通过抗压强度试验研究了干湿冻融循环次数对麻刀灰浆、糯米灰浆及SH灰浆性能的影响，试验发现：3种不同添加剂的灰浆的抗压强度均随着干湿冻融循环次数的增加而降低。研究表明：在氯盐–冻融循环条件下，糯米灰浆的质量损失率和抗压强度损失率不断下降，动弹性模量出现先增大后减小的趋势。

（3）碳化龄期：通过测试桐油灰浆在不同碳化龄期下的抗压强度和抗折强度发现：掺入1 %、3 %熟桐油的灰浆试件的抗压强度和抗折强度以及掺入5%熟桐油试件的抗压强度均随着碳化龄期的延长而提高；掺入5 %熟桐油的灰浆试件的抗折强度随着碳化龄期的增长，呈现出先降低后增加的趋势。随着碳化龄期的增长，熟桐油促进氢氧化钙生成碳酸钙，因此在养护14 d和28 d时，试件的抗压强度和抗折强度有所提高。

（4）糯米浆温度：按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的浓度配备糯米浆，分别加热到55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃后制备糯米灰浆试块。对试件进行无限抗侧压试验发现：在糯米浆浓度保持不变的情况下，试块的无侧限抗压强度与温度的关系并非简单的线性增长，在最佳温度点试块的抗压强度达到峰值。研究表明，在相对湿度为95 %的条件下养护的糯米灰浆试件的抗压强度远高于在相对湿度为50 %的条件下养护的灰浆试件。

上述研究表明，随着养护龄期的增长，传统灰浆的不同力学指标均有增长的趋势，但是增长速率有所不同；干湿循环和稀硫酸作用会使得传统灰浆的抗压和抗剪强度下降；干湿冻融循环及氯盐-冻融循环耦合作用下，糯米灰浆的强度均有降低的趋势，动弹性模量受氯盐–冻融循环影响先增大后减小；而碳化有利于传统灰浆力学性能的提高。相对湿度和糯米浆的温度对传统复合灰浆的力学性能也均有影响。

4  结束语

掺入了糯米浆、桐油、血料、蛋清等有机物的复合传统灰浆是性能优良的传统建筑材料，更是我国古代建筑胶凝材料的杰作。其在我国古代的建筑、城墙、墓葬、造船、水利建筑等中有着广泛的应用，体现了古代中国人高超的智慧和技术。文中以糯米灰浆、桐油灰浆、蛋清灰浆、血浆灰浆为例总结了传统灰浆的科学机理，从微观解释了其良好性能的原因所在。针对学者对于传统灰浆的性能及其提升的影响因素展开的研究进行了总结分析，可得出如下结论：

（1）不同的有机添加物对传统灰浆的力学性能有不同的影响。糯米、桐油、麻刀、桃花灰蛋清等添加剂的掺入往往能够显著提高传统石灰灰浆的力学性能，蛋清的加入在使用环境不同时对其力学性能有不同的影响，而动物血浆的添加浓度的升高会导致灰浆力学性能的降低。

（2）无机添加剂砖颗粒、河砂和石英砂的掺入会降低传统灰浆的力学性能；纸筋、硫酸铝、明矾、自制硅酸盐、大麻纤维、偏高岭土的掺入可显著提高传统灰浆的力学性能，而二水石膏、剑麻纤维、甲基硅酸钠溶液、玄武岩纤维的掺入对传统灰浆的力学强度有一定程度的提高；工业石膏对其力学性能没有显著影响。纸筋、硫酸铝、自制硅酸盐、大麻纤维可有效提高传统灰浆的耐冻融性；二水石膏和自制硅酸盐可提高传统灰浆的表面硬度；大麻纤维可提高传统灰浆的耐久性。

（3）制备灰浆的材料配合比会影响传统灰浆的力学性能。此外，养护龄期与传统复合灰浆的力学性能呈正相关的关系，但是随之增长的速率不同；干湿冻融循环及氯盐–冻融循环耦合作用下，糯米灰浆的强度均有降低的趋势，其动弹性模量受氯盐–冻融循环影响呈现先增大后减小的趋势。而碳化有利于传统灰浆力学性能的提高。糯米浆的温度对传统复合灰浆的力学性能也有一定程度的影响。

在对古建的调查研究中发现，多数砖石古建均有不同程度的砖石风化和灰缝砂浆粉化，部分古建由于气候影响所受冻融盐侵影响大，这些直接影响古建的稳定性。

鉴于此，在对不同类别灰浆建造的古建受不同环境影响下进行修复研究时，文中总结得到的结论可对传统灰浆的仿制和高性能灰浆的制备研究提供借鉴。然而，目前针对材料配合比对传统灰浆力学性能的影响以及传统灰浆的耐冻融盐侵等方面的研究尚且不足，相关研究工作有待进一步深入。