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圆明园舍卫城城墙夯土工艺的科学分析.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第24 期2023,23(24):10454-05科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-10-10修订日期:2023-05-22基金项目:国家自然科学基金(41602329);北京市自然科学基金面上项目(8222017);北京市属高校高水平教师队伍建设支持计划青年拔尖人才培育计划(20JCC046)第一作者:邹非池(1994),男,汉族,湖北武汉人,硕士。研究方向:文物分析检测。E-mail:zoufeichi 。通信作者:周华(198
2、4),男,汉族,湖北京山人,博士,副教授。研究方向:文物保护、文物无损检测。E-mail:zhouhua 。引用格式:邹非池,周华,张中华,等.圆明园舍卫城城墙夯土工艺的科学分析J.科学技术与工程,2023,23(24):10454-10458.Zou Feichi,Zhou Hua,Zhang Zhonghua,et al.Scientific analysis of rammed earth process of Sravasti wall in the Old Summer PalaceJ.Science Technology and Engineering,2023,23(24):10
3、454-10458.圆明园舍卫城城墙夯土工艺的科学分析邹非池1,周华2,张中华3,周双林4(1.故宫博物院,北京 100009;2.北京联合大学应用文理学院,北京 100191;3.北京市考古研究院,北京 100009;4.北京大学考古文博学院,北京 100871)摘 要 为了探究圆明园舍卫城城墙夯土工艺,采用 X 射线衍射(diffraction of X-rays,XRD)分析、激光粒度分析及密度与孔隙率分析等手段,对圆明园舍卫城城墙的夯土进行理化检测和工艺性能研究。结果表明:舍卫城城墙主要由石灰和土组成,且没有人为添加细砂,灰土比最接近二八灰土,与工程做法则例中的十六把小夯灰土相吻合。同
4、时,通过多种科学数据对比,可进一步推测在夯筑灰土过程中,下层夯土使用了更多的灰土量。多层次的夯土制作工艺,展示了清代宫廷工匠对夯土技术的工艺认识和制作方法。相关结果为研究圆明园的建筑特点,夯土城墙的文物保护和科学修复等内容,提供了重要科学支持和有益借鉴。关键词 圆明园;舍卫城;夯土城墙;夯土工艺中图法分类号 TU375.4;文献标志码 AScientific Analysis of Rammed Earth Process ofSravasti Wall in the Old Summer PalaceZOU Fei-chi1,ZHOU Hua2,ZHANG Zhong-hua3,ZHOU S
5、huang-lin4(1.The Palace Museum,Beijing 100009,China;2.Beijing Union University College of Applied Arts and Science,Beijing 100191,China;3.Beijing Academy of Archaeology,Beijing 100009,China;4.School of Archaeology and Museology,Peking University,Beijing 100871,China)Abstract In order to explore the
6、rammed earth wall process of Sravasti of the Old Summer Palace,the physical and chemical tes-ting and technological performance study of the rammed earth of the Sravasti wall of the Old Summer Palace were conducted using meth-ods such as diffraction of X-rays(XRD)analysis,laser particle size analysi
7、s,and density and porosity analysis.The results show thatthe Sravasti loam wall is mainly composed of lime and soil,and there is no artificial sand added.The ratio of lime to soil is the closestto the two-eight,which is consistent with the sixteen small ash soils in the Engineering Practices.At the
8、same time,through a varietyof scientific data comparison,it can be further speculated that,during construction,the lower layer of rammed earth uses more amountof materials which are lime and soil.The multi-layer rammed earth manufacture demonstrates the craftsmanship and production methodsin the Qin
9、g Dynasty on the rammed earth technology.For this unique site and special craft of lime and soil,the methods that combineliterature and scientific data are used to restore its traditional processes.And the relevant results for the study can provide importantscientific support and useful lessons for
10、the protection and scientific restoration of the rammed earth walls.Keywords the Old Summer Palace;Sravasti;rammed earth wall;craft of lime and soil 舍卫城是圆明园一处重要佛教建筑群,是供奉各种佛像和收藏佛经的地方。它仿照古印度桥萨罗国首都的城池布局而建1,城墙用灰土夯筑而成,即三合土,内部夹杂石块与瓦片等,外侧有包砖,具有极高的建筑技术价值、宗教价值及历史价值。令人遗憾的是,经历多次历史劫难及自然风化后,目前遗址仅存保存状况较差的夯土城墙。经过现
11、场病害调查可知,舍卫城夯土遗址存在植物病害、微生物病害、动物病害、掏蚀、残缺、裂隙,总污染面积高达 989.78 m2,病害种类所占比例最大的有掏蚀病害和植物病害,这两类病害的面积之和占舍卫城病害总面积的 56%,若不采取措施加以保护,夯土遗迹将持续加剧风化乃至消失。保护文物原状的原则是:强调使用原材料、原工艺对文物进投稿网址:行保护,以避免二次伤害,因此对于舍卫城夯土原始制作工艺研究尤为重要。对三合土的研究主要集中在历史文献的记载及制作工艺的科学研究方面。在历史文献记载方面,清代官式石桥做法一书中对“三合土”的配备作了说明:“灰土即石灰与黄土之混合,或谓三合土”。通常意义上的“三合土”包括石
12、灰、黏土和砂,而根据清工部工程做法则例2圆明园营造则例(现收录在清代匠作则例第一卷中)3中的记载,清代官式土作工艺以及圆明园土作均仅添加黄土与石灰,对三合土是否加砂问题存在歧义。同时文献2-3中对于圆明园夯土遗址灰土比的描述存在不明确之处,有待进一步考证。在夯土工艺的研究方面,易识远等4、Juan 等5运用扫描电子显微镜、X 射线荧光光谱(X-ray fluorescence,XRF)、X 射线衍射(diffraction of X-rays,XRD)等方法对不同遗址的夯土组成配比进行了分析研究,对实验室模拟制备三合土的物理性能、成分和微结构等方面进行科学分析,初步探讨了中国传统三合土的材料配
13、方和科学原理。Joo 等6采用微观结构和矿物学技术对位于葡萄牙南部阿尔加威的 12 世纪 Paderne 城堡的夯土材料进行了成分和工艺的分析研究。Naoual 等7用光学显微镜、X 射线荧光和热分析对奇恰瓦的萨阿迪亚糖厂的夯土进行了成分和性能的分析。Young 等8通过分析物理性能、矿物学、粒度学和地球化学特征,确定了用于建造第13 个韩国堡垒江华润庚城夯土墙的技术。Juan 等9力求提出表征夯土墙的新方法,建立了5 个广泛的测试组以进行表征:化学和矿物组成、物理特性、机械特性、粒度分布和测年,并通过塞维利亚和马拉加(西班牙)城墙的夯土墙研究对该表征方法加以运用。Daoudi 等10通过对马
14、拉喀什的巴迪宫墙壁上所收集的 30 种夯土和涂料的粒径、化学和矿物学特征的分析,对宫殿建造的原始工艺和材料来源展开研究。目前,针对舍卫城遗址的研究较少,由于舍卫城城墙夯土力学性能较差,与现代夯土的强度有一定的差距,因此不能使用力学测试来进行研究。同时,舍卫城城墙夯土中存在较多大颗粒的石灰粒,扫描电子显微镜-能谱(scanning electron microscope-energy dispersive spectroscopy,SEM-EDS)及 XRF 则会受限于所选区域和样品而导致分析结果与实际情况不符。综合以上研究方法,选用 XRD、激光粒度分析及物理性能分析的方法相结合来探讨圆明园舍
15、卫城城墙灰土的工艺。力求对其进行较为全面的工艺复原和分析测试,为后期保护方法和技术的选择提供一定研究基础。1 实验样品及仪器1.1 样品来源根据现场调查,由于舍卫城城墙夯土长期暴露于室外环境中,接近地面处有严重的掏蚀现象,无法判断原始地面的位置。但根据现场的调查判断来看,能明显区分的有14 层,每层约为16 cm,如图1 所示。1 14 为层位编号,每层约为 16 cm图 1 西北角夯土层取样层位及编号Fig.1 Sampling location and number of rammedsoil at northwestern corner1.2 样品制备X 射线衍射样品制备为取一定量的采集
16、样品用研钵研磨成均匀的细粉。激光粒度仪样品制备方法为取 14 层夯土层中非石灰粒的部分各取 5 g 研磨成粉,待进行激光粒度分析。然后分别称取第 5、7、10 层夯土样品各10 g使用 3%HCl 溶液处理直至样品不再出现气泡后过滤,阴干,待进行粒度分析。1.3 实验仪器选用 Dmax12kW 粉末衍射仪,试验条件为:X 射线:CuK(0.154 18 nm)、管电压:40 kV、管电流:100 mA、石墨弯晶单色器、扫描方式:/2 扫描(为衍射角)、扫描速度:8(2)/min、采数步宽:0.02(2)、环境温度:(25.0 1)、湿度:20%5%进行测试分析。采用 马 尔 文 仪 器 有 限
17、 公 司 生 产 的 Master-size2000 激光粒度分析仪。554012023,23(24)邹非池,等:圆明园舍卫城城墙夯土工艺的科学分析投稿网址:2 结果与讨论2.1 XRD 半定量分析结果依据沉积岩中样品矿物总量和常见非样品矿物 X 射线定量分析方法(SY/T 62101996)与PDF2 粉末衍射数据库进行解谱,具体实验数据如表 1所示。由表 1 可知,各层中石英的含量除第 3 层(71%)和第 12 层(26%)外,其他各层石英含量为30%50%范围,方解石含量为 10%20%。第 3 层三合土中石英达 71%,方解石仅为5%,与其他层位的夯土差异较大。通过观察所取的样品,第
18、 3 层三合土样品整体呈灰黑色,结构致密,仅表面出现白色的方解石痕迹,推测可能是由于三合土在夯筑的时候未完全混合均匀,导致采集的样品中以砂土为主,石英含量较高。其他 13层中可以看到斜长石、微斜长石、绿泥石以及云母等来自土中的成分比例较为稳定,第 3 7 层出现一定比例的石膏,推测为夯土中的熟石灰与土壤中的硫酸根离子或空气中含硫气体作用转化而成的产物。表 1 14 层夯土中非石灰粒的取样部位的 XRD 分析结果Table 1 Results of XRD analysis of fourteen layers oframmed soil without lime pellets夯土层位质量分数
19、/%石英 方解石 斜长石微斜长石绿泥石 云母 白云石 闪石 石膏14022187454241131695610371512433143861895651353520217564263716207446437461117853442839161695564930182985731032242296711461619956122616211455851347101973492.2 密度与孔隙率分析结果由于顶部第 1 3 层的样品风化较为严重,因此主要对第 4 14 层的夯土取样进行密度和孔隙率分析,每层平行样品 5 个,分析测试方法遵循土工试验方法标准(GB/T 501232019)。使用水中称量
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