鎂質石灰建造的明薊鎮磚石長城保護問題初探

王怡婕，秦天悅，戴仕炳

1 明磚石長城保護現狀與灰漿問題

1.1 明薊鎮長城建造形式

已公布的歷代長城中，明長城資源保存較為完好，形制和類型豐富，是現存長城遺跡中的精華，具有極高的歷史文化價值。

明朝200 多年的長城修筑逐步形成了“九邊”分區防守、分段管理的制度。為加強京城的防務與戰備需要，明嘉靖年間在原九鎮（甘肅鎮、固原鎮、寧夏鎮、延綏鎮、山西鎮、大同鎮、宣府鎮、薊鎮、遼東鎮）的基礎上，從原薊鎮中單獨分離出了昌平鎮和真保鎮，萬歷年間又從薊鎮析置出山海鎮，固原鎮析置出臨洮鎮。自此明長城九邊十三鎮的整體軍事防御格局完善并確定。

東部的明長城以磚石包砌或壘砌為主，西部則多以夯土構筑。其中明長城墻體長度為8851.8km[1]46，占長城總量的約40%。而明長城遺存中，磚石質長城最為堅固，也是長城遺存的精華，其總長度約2034.6km，為明代長城總長度的23%，其中石質墻體1657.4km，磚質邊墻377.3km[1]68。從構造類型上，可將磚石質長城墻體劃分為石砌、磚砌、磚石混筑3 類，這主要是從墻體外部砌體材料考量，實際由于防御等級不同、材料采集情況不同，墻體砌筑方式和材料組合會有非常豐富的變化。總體上，磚石質墻體多見于薊鎮和宣府鎮，遼東鎮、大同鎮、太原鎮則以石質墻體為主。明長城磚砌墻體中以薊鎮段最具代表性。薊鎮段同時也有磚砌、石砌、夯土等多種構造類型。但薊鎮作為離京師最近的軍事防御聚落，需要更加防范北方少數民族侵入，因而薊鎮較其他防御軍區的明長城，等級更高，防御的要求也更高，因此建造過程中使用了大量青磚砌墻[2]。

1.2 明長城保護灰漿問題堪憂

自20 世紀“愛我中華，修我長城”運動開始，受到國外各類保護理念的持續影響，長城作為如此大體量與規模的建成遺產，經修繕后呈現不同的現存狀態（圖1），反映了我國對合適保護方式的不斷嘗試與探索。而近年來，對長城本身病害的科學分析及對經過修復或維修后出現的一系列問題的科學評估等，引發了對維修理念、保護材料等方面的再思考。從材料角度出發，許多現存長城開裂、坍塌（圖2），甚至在修繕后就發生坍塌的現象，很有可能與原始灰漿的失效，或者修復時使用的石灰性能不滿足要求有關，而目前的研究在兩者之間沒有建立關聯。我國遺產科學保護尚屬起步階段，對長城石灰缺乏系統科學分析，也缺乏適用于遺產保護的建筑石灰標準或規范以及用于指導施工的石灰工藝導則，現有標準[3-4]完全不能滿足研究或實踐需要，很多情況在保護設計或施工中只能采用“原材料、原工藝”等來表述。對于鎂質石灰，國內相關研究鮮少發表[5]。

1 經修繕后不同現存狀態的明薊鎮長城

2 未經修繕的不同現存狀態的明薊鎮磚石長城遺址

2 鎂質石灰在明薊鎮長城上的發現

2.1 明代石灰工藝概述

石灰工藝相關的修建技術，應該包括石灰種類選擇、消解方式及配方設計、工藝優化等一系列內容[6]19。尤其在配方設計上，我國古代勞動人民通過在石灰中添加糯米、桐油、血料等材料，使得石灰凝膠材料的品種和性能有了很大的發展和改進[7]。

明代《天工開物》是歷史上首次系統地總結了石灰的生產過程、性能和原材料的文獻，特別是其對生產過程的詳細描述1），可見明代對石灰石的遴選和燒制的工藝，書中也對石灰中摻入配料用以筑造作了較詳細的配比描述2）。

明長城營造工程具有嚴密的質量體系，對建造所需石灰制定有嚴格的管理制度。由于華北地區燃料不足，因而石灰成為核心資源，工部對物料的領用建立了放支制度。明代燒制石灰的人力主要有軍戶、工匠、役工3 種，其中，軍戶負責長城等重要工程使用的石灰，因而明長城的石灰生產都由駐防軍隊完成[8]。明代北京石灰均在石灰山等處燒造，每座窯爐和燃料（其時所用燃料為柴薪）和用工及產量都有明文規定3），且對燒成品也有驗收制度以確保質量4）。

初步研究表明，燒成的生石灰被運到建造地點，很可能采用《天工開物》描述的風吹方式消解，或采用少量的水干法消解過篩。細灰（包括未燒透的石灰石）不添加任何外來的砂石4），而添加少量的水直接用作砌筑或勾縫，局部灌漿（圖3、4）或在土質邊墻頂部作為防滲，篩余的大的未燒透的石灰石則用作墻芯填充料（圖5）。在北京八達嶺坍塌的墻芯發現未燒透的白云石石灰巖和經歷約400 年沒有碳化的鎂質石灰。微觀上，這類灰漿具有類似現代混凝土的致密結構（圖4）。有關長城灰漿的工藝特征將有專文論述。

3 長城建造主要石灰工藝

4 北京司馬臺鎂質砌筑灰漿微觀結構

5 北京八達嶺墻芯中發現的未燒透的帶有沒有碳化的Mg(OH)2 環邊的白云質石灰石

2.2 現代石灰標準中的鎂質石灰

現代科學研究[9-13]可以清楚地將新的建筑石灰和歷史灰漿根據固化機理等分為兩大類：一類為氣硬性石灰，另一類為水硬性石灰。其中氣硬性石灰指需要有CO2才能發生反應而固化的石灰，按照成分的不同又可以分為鈣質石灰與鎂質石灰。

鈣質石灰與鎂質石灰雖然都歸類為氣硬性石灰，但是兩者差異明顯：

第一，燒制鈣質石灰和鎂質石灰的石灰巖不同。鈣質石灰由高鈣石灰巖（沿海地區也使用牡蠣殼）燒制而成。而燒制鎂質石灰的是白云石灰巖或白云巖，顏色潔白如云，質硬而細膩，因而常用作雕刻材料。

第二，煅燒的溫度和煅燒產物不同。高鈣石灰巖在900℃～1100℃下煅燒生成氣硬性高鈣生石灰（CaO）。而白云石灰巖在730℃～790℃就分解為游離氧化鎂（MgO）和碳酸鈣（CaCO3），900℃左右CaCO3分解為氧化鈣（CaO）[6]68。因此，相較鈣質石灰，鎂質石灰燒成溫度低，含有不可忽視比例的氧化鎂（MgO）。

第三，鈣質生石灰和鎂質生石灰的消解、固化過程不同。低溫燒成的鈣質生石灰快速消解生成消石灰[Ca(OH)2]，進而固化，而在常溫常壓下，鎂質生石灰中MgO 的消解非常緩慢，因而它的消解過程同時也伴隨著固化過程。鎂質消石灰的固化產物中有CaCO3、Mg(OH)2、MgCO3、Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O 等復雜組分。

上述的差異使得鈣質石灰和鎂質石灰的物化特性也有明顯不同，根據國外眾多學者對鎂質石灰的研究證明[11,13-16]，鎂質石灰相比鈣質石灰，具有最終強度高、密度高、孔隙率低，低吸水率、低透氣率等特點，從而擁有更佳的抗凍融性能。歐洲大陸的意大利、奧地利、德國等曾經大量使用鎂質石灰[11,14]，美國至今仍然有大約50% 的建筑用石灰為鎂質石灰[16]。

2.3 明薊鎮長城灰漿化學及礦物學組成

在長城灰漿問題上，許多長城學者、工匠習慣以傳統經驗口口相傳，認為長城灰漿就是所謂俗稱的“白灰”，即鈣質石灰。同時也可以看到目前學術界對長城灰漿的研究[7,17]，也多著眼于建筑石灰的外加組分，如添加糯米的灰漿，盡管過去的科研分析[18]和實際工程對殘存的灰漿測試發現明代灰漿含有較高的鎂，但是缺乏對含鎂石灰的系統分析。

對北京密云、延慶長城以及河北遵化、秦皇島、張家口等地采集的幾乎不含骨料的砌筑及勾縫灰漿樣品（圖6）進行系統的化學、礦物學等分析可以看出，以薊鎮為代表的明長城建造灰漿普遍或者主要使用了鎂質石灰。

6 部分灰漿取樣點

根據現有灰漿的化學組分含量理論換算成原始消石灰中鈣鎂含量，發現薊鎮磚石長城有大比例的石灰樣品中MgO 含量大于5%（圖7），對照現有的建筑消石灰分類[3,4,9]，可以判斷為鎂質石灰。其中如遵化，則為純白云石石灰。而可以作為對比的樣品，如山西新廣武等砌筑灰漿中，MgO 含量低于2%，是典型的鈣質石灰或鈣質天然水硬性石灰[12]。

7 長城建造用建筑石灰的類型

此外，現有的不同部位灰漿的礦物學研究結果顯示，在司馬臺、八達嶺等代表性的明薊鎮磚石長城中出現大量含鎂礦物，如菱鎂礦、水菱鎂礦等（表1），而且出現典型的鎂質石灰的顯微結構特點（圖4）。本團隊研究也發現，明薊鎮長城鎂質石灰灰漿總體上密度、超聲波速度、強度等高于鈣質石灰。

表1 根據Rietveld 半定量X 射線衍射分析結果（參照T.Dettmdering 等資料整理，NN=低于檢測限）

3 明代匠人特意使用鎂質石灰進行長城建造的推測與印證

我國歷史上已有以白云巖為原料煅燒而來的鎂質石灰的記載[6]，晉張華《博物志》卷 4 記載:“燒白石作白灰，既訖，積著地，經日都冷，遇雨及水澆即更燃，煙焰起。”此處的描述與《天工開物》總結的“石以青色為上”不同，此白石應該是白云巖或白云石灰巖。

根據北京地質圖[19]（圖8）顯示，建造長城的山體以花崗巖、白云巖為主。值得注意的是，地質學家在進行華北地層命名時，將含有白云巖的地層命名為長城群、薊縣群。這些地區的長城附近也同時存在可以燒制鈣質石灰的石灰巖，卻選擇以含有鎂質的石灰巖作為石灰來源，這恰好印證了 “燒白石作白灰”。因此，不排除當時建造長城時有意選擇了白云石灰巖來燒制石灰。

8 北京地質圖，紅色區域為薊縣群和長城群地層，黑線表示長城示意走向

本團隊調研取樣的地點主要覆蓋了“九邊重鎮”中薊鎮的分布區域。薊鎮拱衛京師，其等級之高、修筑頻繁、灰漿的用量之多，尤其是在明代中后期，即嘉靖（1522-1566）、隆慶（1567-1572）、萬歷年間（1573-1620）大規模修筑，尤其在戚繼光擔任薊鎮總兵之后，開始大規模建造空心敵臺[20]。《明史·戚繼光傳》中記載“薊鎮邊垣，延袤二千里，一瑕則百堅皆瑕……令戍卒畫地受工，先建千二百座……”。而為了使邊墻更堅固，自萬歷年間薊鎮邊墻開始包磚，“當是時，墻猶夫舊也。至我皇上御極四年，始有拆舊墻、修新墻之議。近墻高廣，加于舊墻，皆以三合土筑心，表里包磚，表面垛口，純用灰漿，足與邊腹磚城比堅并久……”。其中“純用灰漿”也與灰漿分析結果高于80%的粘結劑含量相符合。在軍事管理下，整個薊鎮可能統一了建造石灰的使用。

白云石灰巖的煅燒溫度比鈣質石灰巖低約200℃，采用白云石灰巖燒制石灰，既可使用較少的燃料，又能生產出優質的石灰，這比較符合古代建造長城缺乏燃料的條件。同時，過低或過高的溫度、過短的時間均不能燒制高質量的鎂質石灰用作建筑材料。因此，燒制白云石灰巖需要對其燒制工藝有透徹的了解，且有良好的溫度控制工藝，才能使建造出的長城堅固耐久。

鎂質石灰中MgO 的消解十分緩慢，熟化的過程體積會微膨脹，即使經過長時間的消解，灰漿中仍可能存在對后續反應不利的未水化MgO。因此，掌握鎂質石灰的消解工藝至關重要。

同時，鎂質石灰需水量低，收縮率緩慢而均勻，具有更好的保水性和更高的塑性，這都有利于在條件惡劣的遠郊山區進行長城的建造施工。

結合技術手段檢測出的物質遺存——鎂質石灰的特性和歷史文獻的印證，根據各種分析結果與研究，不難懷疑，中國明代的匠人已經了解了鎂質石灰的特性和優點，掌握了從燒制到消解及施工的完整工藝，特意選擇白云石灰巖燒制鎂質石灰用于長城建造。但由于在當時屬于軍事機密，沒有文字資料出現。而要闡明這種關系，除了需要大量的歷史調查、地質地理研究外，尚需要實驗考古學等驗證。

4 長城病害與鎂質石灰的關系——以延慶67號敵臺為例

近幾十年來愈發嚴重的大氣污染使鎂質石灰容易受到酸蝕，同時生成硫酸鈣（CaSO4）、硫酸鎂（MgSO4）等水溶鹽，其中硫酸鎂鹽為易溶物（20℃時100g 水中可溶解33.5gMgSO4），極易受到環境溫濕度的影響而發生轉變，破壞磚石長城的灰漿、砌體磚等。

2019 年的調研發現，肉眼可以觀察到北京延慶67 號敵臺廢墟殘存磚墻體頂部①號位置的灰縫流失較多，底部③④位置的磚和灰漿粉化嚴重，尤其是③號位置帶的墻磚酥化嚴重，灰縫表面可觀察到絮狀結晶（圖9、10），經成分檢測為硫酸鎂等結晶體。水溶鹽的檢測數據也證實，靠近底部的③④位置可溶鹽離子濃度高。67 號敵臺磚砌體的病害可以與鎂質石灰的劣化建立關聯（圖11）：一是墻體頂部與雨水、霧氣等的接觸程度最大、最頻繁，砌筑和勾縫灰漿被腐蝕流失，進而喪失粘結作用，使墻磚失去拉結力而剝離；二是由于硫酸鎂鹽等水溶鹽的動態變化，硫酸鹽的過多聚集在排水不暢或蒸發部位，使墻體易發生泛堿。硝酸鹽、硫酸鎂等高吸濕性加劇干濕變形及凍融風險。灰漿和墻磚強度的大幅度削弱最終造成墻體的垮塌。

9 延慶67號敵樓水溶鹽取樣部位

10 圖9 ③號部位發現絮狀鹽晶體

5 結論與討論

5.1 鎂質石灰建造的長城維修不宜使用原材料原工藝

新的長城保護指導思想是將長城作為遺址進行原址保護，減少重建[19]。要做到這一點，需要先對坍塌的長城進行病理分析，然后重新設定不同類型灰漿等材料的性能指標，還要針對具體情況完善技術方案——這對長城保護技術提出挑戰。

明薊鎮磚石長城建造時采用的鎂質石灰自身“基因”良好，低能耗、低水耗、高強度，但是在如今大氣污染的環境下，卻更容易“表達缺陷”。從“原材料、原工藝”“這段長城用什么灰漿建造就用什么灰漿來修”等這些普遍認同的角度來看，以鎂質石灰砌筑的長城理應使用相同成分和配比的灰漿進行修繕保護，但由于鎂質石灰本身的缺陷并不利于歷史遺跡的良性保存，使用鎂質石灰建造的明磚石質長城卻不宜再使用相同材料工藝的鎂質石灰進行保護干預。這顯得與當前文物保護和國內一些專家類似“原材料、原工藝”的理念相矛盾——這對長城保護理念提出挑戰。

20 世紀，鎂質石灰在歐洲修復建筑遺產出現的各種問題導致其在今天修復中的使用已被禁止[11,14]，只有等空氣污染明顯減少，才可以考慮重新使用鎂質石灰。而在大氣污染得到控制的美國，采用現代技術消解的鎂質消石灰仍然是主要的建筑遺產修復用石灰之一[16]。而當前華北地區的空氣指數來看，長城維修依舊不適合使用鎂質石灰。

5.2 作為遺址保護維修應使用什么類型的灰漿

結合歐洲類似的鎂質石灰建造的遺址保護經驗[11]及英國哈德良長城維修的研究成果[20]，作為遺址保護的明磚石長城維修中，為達到安全目標需要的灰漿主要有3 種：一是用于坍塌重砌的砌筑灰漿，包括頂部墁磚石用灰漿；二是用于修復開裂和空隙的石灰基灌漿；三是勾縫石灰漿。其中，砌筑灰漿的強度應隨石、磚變化，對已經受到水溶鹽污染的舊磚重砌（擇砌）需要砌筑灰漿有高抗硫酸鹽的性能。石灰基灌漿料除需要能與砌體中的石、磚、土、舊灰有良好的結合力外，必須和現有砌體具有兼容性，特別是耐硫酸鹽、抗凍融性等滿足要求，對施工時間也需要把握。勾縫灰漿最容易受到侵蝕，因而需要有一定的早期強度，對鹽分有疏導、犧牲的作用，并定期維護修補。

砌筑及勾縫灰漿可使用氣硬性高鈣石灰，而增加結構安全的灌漿料則宜選擇水硬性石灰砂漿。氣硬性石灰適合作為始建時的灌漿料，但是在已經建成且含有水溶鹽的磚石砌體內部數年內也達不到應有的強度。灌漿料的水硬性既可以源自天然的，如低溫燒制的含泥質的石灰巖經干法消解[20-22]獲得的潑灰具有類似歐洲標準的天然水硬石灰（NHL）性能[21]，也可以在高鈣氣硬性石灰中添加偏高嶺土、低溫燒制的超細磚粉、活性火山灰或不高于5%的低熱耐硫酸鹽水泥等，后者類似歐洲標準的調和石灰（FL）[9]。配方、工藝等需要根據各地段的狀況進行調整，并遵循灰作的基本工法。在現代大氣環境下，“原材料、原工藝”對鎂質石灰建造的長城保護或許不是最好的選項，而通過灰漿配方調整達到“可識別性”等理念[22]可能更能在最大程度保護長城遺址歷史信息與科技發展之間找到平衡。□（研究工作是在同濟大學高密度人居環境生態與節能（教育部）重點實驗室歷史建筑保護實驗中心完成的。研究工作得到國家自然科學基金面上項目：明磚石長城保護維修關鍵石灰技術研究[批準號51978472]、北京建筑大學“明代磚石質長城保護維修指導性文件編制項目”等資助；研究工作也得到北京古建筑研究所張濤、北京市古建筑公司李博等人的幫助，除作者外，湯眾、周月娥、居發玲、Tanja Dettmering、胡戰勇、何政等參與部分研究工作，在此表示感謝。）

注釋

1）“百里內外，土中必生可燔石。石以青色為上，黃白次之。石必掩土內二、三尺，堀取受燔；土面見風者不用。燔灰火料，煤炭居十九，薪炭居什一。先取煤炭、泥，和做成餅。每煤餅一層，壘石一層。鋪薪其底，灼火燔之。最佳者曰礦灰，最惡者曰窯滓灰。”

2）“灰一分入河砂黃土二分，用糯米、羊桃藤汁和勻，經筑堅固，永不隳壞，名曰三合土。”

3）《大明會典·卷190·物料》記載：“石灰：諸司職掌：凡在京營造，合用石灰。每嵗于石灰山置窯燒煉，所用人工窯柴數目俱有定例。如遇各處支用，明白行下各該管人員放支，其管事、作頭，每季交替。仍將所燒過物料，支銷見在之數明白交割。每窯一座，該正附石灰一萬六千斤，合燒五尺圍蘆柴一百七十八束，計七十五工。”

4）明代葛昕所著《集玉山房稿》寫道：“照得磚石所需，全賴石灰，為數頗巨。若驗收無別，則弊竇易生。查得馬鞍山燒運灰，色潔白;軍莊灰，性稍次。且道路有遠近，價值有多寡。合無以十分為率，軍莊止準燒三分，嚴行該管司官各另給號票，運送監工官處對票驗收。原馱不得卸地堆積，以滋守候等弊。仍不許將軍莊灰充馬鞍山白灰，及將沙石摻和希冒價值。違者管工官從重究治。庶宿弊可厘，而灰皆實用。”