西安市緯零街唐代溝渠遺址出土唐磚瓦的材料性能分析

摘 要：文章對西安市緯零街唐代溝渠遺址出土的唐代磚瓦殘塊進行分析，總結唐磚瓦的材料性能及其反映出的制作工藝信息，以期為現代仿古磚瓦在材料性能上與唐代建筑遺址原有磚瓦具有更好的適配性，提供數據參考。

關鍵詞：西安緯零街；唐代溝渠遺址；磚瓦；材料性能；制作工藝信息

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.04.035

磚、瓦是中國古代建筑中的重要建筑材料，漢唐之后在建筑中得到廣泛應用。有關古代磚、瓦材料性能的研究，對當今文物建筑修復材料的選擇具有重要參考價值。如唐塔的修復，通常使用現代仿古磚進行塔身修補，現代仿古磚雖強度好，但結構致密、透氣性差，與原有唐磚的材料性能不同，很容易造成塔身內部返潮，引發夯土部分的粉化，不但沒有起到保護作用，反而加速了文物建筑的損毀。因此探究古代磚瓦建筑材料的性能特征，能為提高現代仿古磚的適配性提供數據參考，使其更好地、“形神兼備”地融入古建筑中。本文以西安市緯零街唐代溝渠遺址出土的唐瓦、唐磚為研究對象，對其基本物理性能、物相組成、微觀結構、化學成分及熱穩定性能進行綜合相關性分析，總結唐瓦、唐磚的材料性能特點及其反映出的制作工藝信息。

1 西安市緯零街出土唐磚瓦樣品簡介

西安市緯零街出土唐代遺址原為隋唐長安城安義坊、安德坊范圍，兩坊皆為長安城最南的坊，緊鄰外郭城城墻，安義坊西側為朱雀大街。2021年6月發掘的其南向區域（即現唐城墻遺址公園）為長安城外郭城城墻范圍。《長安志》中有關次南安義坊的記載曰：“坊南抵京城之南面、西南通明德門”，坊內有貞順武皇后廟，“禮閣新儀曰開元二十五年立廟，乾元之后祠享遂絕”，另有次南安德坊“坊南抵京城之南面東即啟夏門”。發掘遺址包括溝渠、道路、磚窯等，從出土磚瓦形制及材料上看，形制規整、部分有花紋、質地較致密，符合典型的唐瓦、唐磚特征。研究團隊從溝渠遺址中隨機選取唐瓦、唐磚各1塊作為分析測試樣品。唐瓦、唐磚樣品均為不完整殘片（圖1∶1）。唐瓦樣品呈灰白色，質地堅硬如石，其截面有層層疊疊、深淺相間的層次感，并分布肉眼可見的小孔洞和小沙礫（圖1∶2）。唐磚樣品表面有菱形紋樣，呈灰白色，因為是殘片，磚底情況不明，其截面質地與顏色均勻，散布有小孔洞（圖1∶3）。

2 分析檢測與結果討論

2.1 基本物理性能測試分析

參照國家行業標準①，唐瓦、唐磚樣品的密度和吸水率分別采用排水法和沸煮法測量，同一樣品按標準流程測試三遍，最終得到密度、吸水率和飽和系數。需要注意的是，因樣品不符合國家標準中的樣品要求，開口孔隙率測試及計算方法參照同濟大學發表的研究論文中提出的方法②。具體如下：沸煮5小時后樣品所吸水的體積即為開口孔隙體積，開口孔隙體積占樣品總體積的百分比即為開口孔隙率。唐瓦、唐磚樣品的密度分別是1.65 g/cm3、1.62 g/cm3，吸水率分別是19.98%、29.04%，飽和系數分別是0.99、0.98，平均開口孔隙率分別是33.395%、47.468%。兩樣品相比，唐瓦密度大、開口孔隙率小、飽和系數大，這和肉眼觀察到唐瓦截面質地較致密、唐磚截面質地較酥松是一致的。唐瓦、唐磚樣品密度均低于現代普通黏土磚的密度（1.70 g/cm3），這可能與當時原料處理和制坯工藝有關。

吸水率是指磚瓦對水有一定的吸附滲透能力，是檢驗黏土磚瓦質量的重要指標之一。唐瓦樣品的吸水率略高于現代燒結瓦（《GB/T 21149-2019燒結瓦》）Ⅲ類瓦③的最大值18%，唐磚樣品的吸水率大大高于燒結普通磚（《GB/T 5101-2017燒結普通磚》）④的平均值18%。一般情況下，吸水率高的磚瓦密度低，兩樣品均有較低的密度和較高的吸水率。

2.2 掃描電子顯微鏡—能譜分析（SEM-EDS）

為避免分析結果受風化等因素的影響，選擇兩樣品中心部分切割出5 mm厚的片狀樣品剖面。用德國ZEISS公司D07739 型光學顯微鏡初步觀察樣品剖面并選定典型區域，再用捷克TESCAN公司的鎢燈絲掃描電子顯微鏡VEGA3LMH［配備能譜儀（EDS）］觀察唐瓦樣品典型區域的微觀結構，進行化學元素分析；用美國FEI公司的特高分辨率場發射掃描電鏡Verios G4［配備能譜儀（EDS）］觀察唐磚樣品典型區域的微觀結構，進行化學元素分析。

唐瓦、唐磚樣品截面的微觀形貌均為較均勻的層片狀結構（圖2、圖3）。唐瓦樣品的片狀結構更致密均勻，孔洞較少；唐磚樣品的片狀結構較酥松，有較多的不規則顆粒和小孔洞。高倍電鏡分析顯示，唐磚樣品內部孔徑為200～300 nm的不規則微孔結構較多（圖3∶3），這是其具有較高吸水率和較低密度的原因所在。根據兩樣品截面呈現致密均勻、小粒徑的微觀結構特征，推測在唐瓦、唐磚的制作過程中，對原料進行了選土、澄泥、熟泥等一系列加工。唐瓦、唐磚樣品的EDS能譜圖反映出兩樣品中所含化學元素基本相同，均含有C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe九種化學元素，含量由多到少排列前四位的是Si、Al、Ca、Fe。

2.3 X射線光電子能譜（XPS）分析

采用日本Kratos公司Axis Supra全自動、成像型多技術X射線光電子能譜儀分析測試唐瓦、唐磚兩樣品中的化學元素。結果表明：兩個樣品的全譜掃描圖中均出現了與元素C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe相對應的光電子譜線，從而證實了樣品表面由這些元素組成，該結果與EDS能譜得到的結論一致。元素精細譜圖分析說明：Ca、Mg兩元素的化合價為+2；Al元素的化合價為+3；Si的化合價為+4。在這些元素中，Fe元素的價態較為復雜，可呈現0、+2、+3多種價態。兩個樣品的Fe 2p精細譜圖均顯示在電子結合能約為726 eV、712 eV處出現了兩個分別對應于Fe 2p1/2、Fe 2p3/2的獨立特征響應峰，且兩峰之間無衛星峰，該結果與文獻報道⑤的Fe3O4中Fe的特征結合能峰位置一致，說明兩樣品中的鐵元素主要以Fe3O4的形式存在。

綜合上述，根據EDS能譜和X射線光電子能譜（XPS）分析結果，可得出唐瓦、唐磚樣品中的化學成分及其質量百分比（表1）。兩樣品都呈現出低硅、低鋁的特點，同時唐磚還呈現出高鈣的特點。此外，唐瓦樣品中檢測出Ti元素，唐磚樣本中沒有檢測到該元素。將兩樣品與現代燒結磚瓦原料⑥，以及我國黃土高原地區廣泛分布的馬蘭黃土化學成分⑦進行對比（表1）可知，唐瓦樣品的化學成分與馬蘭黃土成分相近，應為黃土高原馬蘭黃土中的黏黃土燒制而成。唐磚樣品與馬蘭黃土成分相比，SiO2含量較低，Al2O3、CaO、Fe3O4的含量較高，其中的Ca可能部分來源于后期可溶鹽在磚內部的沉積，Al、Fe則可能與制磚時原料處理和添加工藝有關。唐磚、唐瓦樣品中的Fe元素均以Fe3O4（磁鐵礦）的形式存在，說明燒制磚、瓦采用的是還原氣氛，這與兩樣品均呈現出青灰色是一致的。

2.4 X射線衍射（XRD）分析

采用日本島津公司XRD-700衍射儀對兩樣品進行X衍射定性分析，兩樣品的衍射圖譜呈現出相似的形態，兩個樣品的礦物組成主要為石英、輝石、鈉長石、磁鐵礦，其中石英的含量最大，與現代燒結磚瓦的礦物組成基本一致（表1）。比較兩圖譜可以發現，唐瓦樣品中石英的含量比唐磚的高，而唐瓦中輝石、鈉長石、磁鐵礦的含量略低于唐磚，這與表1體現出的“唐瓦樣品中的SiO2含量比唐磚樣品的高，而Al2O3、CaO、Fe3O4含量比唐磚樣品的低”一致。綜合分析唐瓦、唐磚兩樣品在化學元素、化合物及礦物組成方面的差異，有可能是樣品成分分布不均的影響，也有可能是兩樣品的制作原料來自不同地區的結果。

2.5 熱重-差熱性能測試（TG-DSC）

為了解唐代磚、瓦制作工藝中的燒成溫度情況，利用同步熱分析儀對兩樣品進行了熱重-差熱性能測試。采用的儀器是德國耐馳公司STA449F3同步熱分析儀，測試條件：溫度范圍為室溫～1200 ℃，升溫速率為10 ℃/min，測試氛圍為空氣。結果表明：唐瓦樣品在1200 ℃時的熱失重為2.06%，低于650 ℃時質量減少約1.64%，在650～750 ℃之間出現質量變化約為0.57%的失重臺階，并伴隨有一個弱吸熱峰，可推斷該區間有物質發生分解（圖4）；唐磚樣品在1200 ℃時的熱失重為1.65%，低于600 ℃時質量減少約1.26%，在600～700℃之間出現質量變化約為0.72%的失重臺階，并伴隨有一個弱吸熱峰，可推斷該區間有物質發生分解（圖5）。綜合分析熱重和差熱的測試結果，推斷兩樣品的原始燒成溫度可能為600～700 ℃。

3 結論

①西安市緯零街唐代溝渠遺址出土的唐瓦、唐磚樣品與現代普通燒結磚瓦相比，具有較低的密度和較高的吸水率，其中唐磚樣品的密度更低、吸水率更高。②兩樣品截面均呈現出致密均勻、小粒徑的微觀形貌特征，其中唐瓦樣品致密度較高、不規則顆粒和孔洞較少，唐磚致密度低、有很多孔徑為200～300 nm的不規則微孔結構，反映出兩樣品的制作原料都進行過有意識的篩選與加工處理，但在原料處理方法和制作工藝方面有所差異。③唐瓦樣品的化學成分與黃土高原廣泛分布的馬蘭黃土接近，應為就近取材燒制而成。唐磚樣品的化學成分與馬蘭黃土相比，具有低硅、高鈣、高鐵的特點，可能是樣品成分分布不均的影響，也可能是兩樣品的制作原料來自不同地區。④唐瓦、唐磚樣品的礦物組成相似，主要為石英、輝石、鈉長石和磁鐵礦，其中石英含量最大，與現代燒結磚瓦基本一致。唐瓦樣品中，石英的含量比唐磚高，輝石、鈉長石、磁鐵礦含量卻略低于唐磚，礦物組成存在差異的原因有可能是樣品成分分布不均的影響，也有可能是兩樣品的制作原料來自不同地區。⑤唐瓦、唐磚樣品的原始燒成溫度在600～700 ℃的范圍內，采用還原氣氛。

注釋

①中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 5101-2017燒結普通磚[S].2017-12-29；中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GBT2542-2012砌墻磚試驗方法[S].北京：中國標準出版社出版，2013；中華人民共和國國家文物局.WW/T 0050-2014文物建筑維修基本材料 青瓦[S].2014-04-24；中華人民共和國國家文物局.WW/T 0049-2014文物建筑維修基本材料 青磚[S].2014-04-24.

②湯永凈，章丞.一種不規則形狀磚孔隙率和體積密度的實驗方法[J].結構工程師，2017，33（3）：174-178.

③中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21149-2019燒結瓦[S].北京：中國標準出版社，2008.

④中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 5101-2017燒結普通磚 [S]. 2017-12-29.

⑤LU J，JIAO X L，CHEN D R，et al.Solvothermal synthesis and characterization of Fe3O4 and γ-Fe2O3 nanoplates[J].The Journal of Physical Chemistry C，2009（113）：4012-4017.

⑥⑨雷勇敏.燒結磚瓦工廠生產技術分析研究[J].磚瓦，2011（3）：20-24.

⑦⑧吳明清，文啟忠，潘景瑜，等.黃河中游地區馬蘭黃土主要化學成分的再研究[J].自然科學進展，1996（1）：80-85.