石灰在中國古代建筑材料中的生產(chǎn)和使用

在新石器時代，木、土、石等天然材料被用作建筑的基本材料。

石灰是最早使用的凝膠材料，古希臘人在公元前8世紀在建筑中使用石灰。

中國也在公元前7世紀開始使用石灰。石灰一直是其中不可或缺的建筑材料，從仰韶文化的半穴居建筑到龍山文化的木骨泥墻建筑，從夏商周時期的宮式高臺建筑，秦漢時期的磚瓦建筑，明清時期的紫禁城，到現(xiàn)代歷史建筑。

本文從考古發(fā)現(xiàn)和文獻資料簡要介紹了中國古代石灰的使用和生產(chǎn)工藝。

-I-

古遺址石灰的使用

經(jīng)考古發(fā)現(xiàn)，我國新石器時代的許多遺址都有光滑堅硬的白灰面，如河南鄭州二里崗遺址、陜西寶雞斗雞臺遺址等；

有的甚至燒烤，比如蒙城尉遲寺遺址；

有的先用草筋泥、紅燒土鋪，再用青海民和縣喇家遺址、遼寧建平縣喀喇沁河東遺址等白灰面鋪平。

這些做法不僅使地面平整、堅固，而且在照明、防潮等功能上也相應改進。

河南洛陽的王灣遺址新石器時代文化層特別厚，內(nèi)含仰韶文化（王灣第一期文化）、仰韶文化向龍山文化的過渡期（王灣第二期文化）和龍山文化（王灣第三期文化）三期。

△發(fā)掘王灣遺址現(xiàn)場

其中，王灣第一期文化的房屋基本都是地面建筑，居住面為草拌泥紅燒土，表面堅硬開裂；還有白灰色的地板，類似三合土，非常堅硬光滑。

如房基F1.第一層的硬居住面是石灰質(zhì)的，厚5cm。

王灣第二期文化建筑的居住面多為白灰面。也就是說，石灰從仰韶文化時期就開始使用了。

然而，安陽后岡遺址首次發(fā)現(xiàn)了白灰面。

1931年，著名考古學家梁思永先生在安陽后岡遺址(公元前4000年~公元前1100年)首次發(fā)現(xiàn)一層白色石灰，因名稱和用途不確定暫時稱為白灰面。

后岡遺址是龍山時期的一個大型村落遺址。該遺址有31個抹白灰面，白灰面厚2~6mm，層次均勻，表面光滑。

這些白灰面不僅涂在生活面、墻壁和門道上，還涂在窖穴的周圍和底部，有的還涂在柱洞壁上；白灰面不僅光滑美觀，還能防潮，如F11和F12。

另一個窖穴（H8)這些石灰石上仍有未燒透的石灰石。

房址F11.木骨垛泥墻，生活面為白灰面，保存良好。考古發(fā)掘圖如下:

△后岡遺址的房址F11

房址F12.土坯墻，室內(nèi)有五層白灰色表面。土坯墻內(nèi)外均涂有細黃泥，內(nèi)墻上涂有一層草泥，上面涂有白灰色表面。在施工過程中，墻面多次粉刷，墻面留有多層草泥和白灰色表面圖如下：

△后岡遺址的房址F12

龍山時期人工燒石灰技術(shù)的發(fā)明、土坯等新型建筑材料的出現(xiàn)以及白灰表面防潮設施的廣泛應用，是仰韶文化時期住宅建筑技術(shù)的重大進步。

經(jīng)放射性碳14測定，后岡遺址的這些白灰表面是人工燒制的天然石灰?guī)r，與今天人工燒制的石灰沒有本質(zhì)區(qū)別。

△后岡遺址

山西襄汾縣陶寺遺址(公元前2300年~公元前1900年)是龍山文化時期的遺址XRF、ICP-AES和ICP-MS根據(jù)對該遺址白灰面的技術(shù)分析，陶寺遺址白灰面的主要成分是碳酸鈣，原料來源主要在當?shù)兀沂療贫伞?/p>

因此，中國古代先民在4000多年前就掌握了燒石灰的技術(shù)，并將石灰用作建筑材料。

△陶寺遺址

喇叭家族遺址（公元前2200年~公元前1600年）是齊家族文化。該遺址是一個大型聚落遺址，有寬闊的環(huán)壕，聚落內(nèi)分布著密集的白色和灰色地址。房屋地址的地面和墻壁上都有白色和灰色的表面遺跡。先敷一層厚約3層cm的黃土草拌泥，后抹厚約0.3~0.7cm的白灰面。

從以上考古遺址的發(fā)掘可以發(fā)現(xiàn)，石灰是由仰韶文化時期人工燒制的石灰石產(chǎn)生的，后來龍山文化、齊家文化等石灰在建筑中的應用越來越多，應用于不同地區(qū)。

春秋戰(zhàn)國時期，建筑中使用石灰的文獻開始記錄。

在《左轉(zhuǎn)》中，有成公二年(即公元前589年)8月，宋文公卒，開始埋葬，用海嘯灰的記載。

古代大蛤被稱為海市蜃樓，海市蜃樓是一種由水生物大蛤殼（其成分主要是碳酸鈣）制成的石灰材料。

這說明貝殼石煅燒的石灰在中國春秋戰(zhàn)國時期得到了廣泛的認可，并利用石灰易吸水的特點進行防潮。

《后漢書·《楊璇傳》記載:專用馬車數(shù)十乘，車上裝滿了石灰，不僅和小偷站在一起，還和小偷站在一起。小偷不被視為失敗者。這說明漢代石灰產(chǎn)量相當大。

河北望都二號漢墓(公元182年)的磚砌體采用石灰膠結(jié)，磚拱券采用石灰漿填縫。石灰表層涂在墓的內(nèi)壁和券面上，說明此時石灰技術(shù)已經(jīng)成熟。

-II-

石灰的生產(chǎn)

明代作家于謙在詩《石灰吟》中詩意象征地描述了石灰的鍛煉過程:

千錘萬鑿深山，火燒若等閑。

粉骨不怕，要把清白留在人間。

然而，真正描述石灰生產(chǎn)技術(shù)的是明代的天工開物。它從原料的選擇、煅燒燃料和消化方法等方面詳細記錄了石灰的生產(chǎn)工藝：

凡石灰，用火梵煉制。成質(zhì)后，入水永不壞。億萬船只，億萬墻壁，窒息防淫，是必由之路。百里內(nèi)外，土壤中必生可燒石，其次是藍色和黃白色。

石必掩土內(nèi)二三尺，挖掘被燒毀，土面見風者不需要。燒灰火料，煤十九，工資十一。

先取煤泥做餅，每層煤餅，一層壘石，鋪工資底，燒火。最好的是礦灰，最壞的是窯渣灰。

火到后，燒酥石性，放在風中，長時間吹成粉。急用者用水沃之，自解散。

需要注意的是，這里提到的石頭必須覆蓋土壤中的兩三英尺，石頭，即石灰石。石灰石在土壤中必須有兩三英尺的說法是不準確的。許多自然石灰?guī)r暴露或形成禿山，暴露在地面上往往形成石林地貌。即便如此，石灰?guī)r也大多延伸到地下，而不僅僅是土壤中的兩三英尺。

這篇文章的大意是：可燒石是石灰石，主要含有碳酸鈣，其中青色質(zhì)量純凈，黃白色含有粘土、礦物質(zhì)等雜質(zhì)。燃燒石灰的煤占十分之九，柴火占十分之一。

先把煤和泥混合成煤餅，然后把一層煤餅和一層石頭堆起來，在底部鋪柴火，點燃煅燒。溫度足夠后，石頭變脆，放在空氣中慢慢風化成粉末。當緊急情況下澆水時，它會自己分散。

根據(jù)現(xiàn)有的考古發(fā)現(xiàn)，煅燒石灰石的石灰窯已經(jīng)出現(xiàn)在隋唐時期，但石灰窯何時開始出現(xiàn)還有待進一步的考古數(shù)據(jù)證明。例如，河南鞏義發(fā)現(xiàn)了隋唐時期的一些窯爐，其形狀和尺寸不同于普通的饅頭窯和瓷窯，窯密切填充青石和白灰，沒有瓷片，因此被推為石灰窯。

△山西石灰窯遺址

石灰成本降低，當大宗煤被用作石灰煅燒燃料時。因此，明代以后，磚墻砌體全部采用石灰漿，開始了大量使用石灰的時代。

-III-

反應機理

以石灰石為原料，高溫煅燒后得到氧化鈣，即生石灰：

生石灰非常活躍，吸濕性強，與水消化產(chǎn)生氫氧化鈣，即熟石灰：

成熟的石灰通過吸收空氣中的二氧化碳硬化成碳酸鈣：

這種反應是石灰的硬化機制，使石灰不僅可以作為磚石之間的砌體材料，還可以作為外墻的油漆材料，在古代廣泛應用于土木工程中，使三合土和夯土技術(shù)逐漸發(fā)展。

△石灰的生產(chǎn)工藝