古代石灰基建筑材料的科学认知与保护材料研究
2025年10月21日，本课题组成功举办了中国文化遗产保护与修复通识课讲座，本次讲座由中国科学技术大学科技史与科技考古系教授、“文物”学科点负责人马啸，以“古代石灰基建筑材料的科学认知与保护材料研究”为题进行分享。讲座主持人为北京建筑大学侯妙乐教授、常新峰博士。
个人介绍
马啸
马啸，本科毕业于华中科技大学，硕士毕业于美国普渡大学材料工程系，博士毕业于加州大学洛杉矶分校（UCLA) 材料科学与工程系。现为中国科学技术大学科技史与科技考古系教授、“文物”学科点负责人，入选国家特聘专家青年项目、中国科学技术大学学术领军人才项目。马啸教授长期从事文物保护与科技考古研究，以第一或通讯作者在Angewandte Chemie, Advanced Science, Analytical Chemistry等顶级期刊发表文物保护与科技考古方向学术论文30余篇。曾在盖蒂文物保护研究所科学部、美国国家博物馆史密森学院博物馆保护中心、美国国家艺术馆文物保护处，美国国家标准与技术研究院、上海大学等地从事文物保护与科技考古工作，并曾获Ralph C. Altman Award, R.E. Taylor Best Poster Award, Martin J. Aitken Best Poster Award，Charles E. Culpeper Fellowship等多项荣誉，主持国家自然科学基金面上项目、科技部高端外专项目、国家重点研发计划子课题、国家文物局项目等10余项科研项目。
本次讲座简介
在文物科学认知以及保护中，我们通常会涉及到两类材料，一类是构成文物本体的原始材料，一类是为延长文物寿命而施加的保护材料。对文物本体材料进行科学认知，不仅能揭示其中蕴含的古代文明信息，也为选择适宜的保护材料与方法提供了关键依据。文物保护材料的设计旨在最大限度地保留文物的原始特性，并抑制其进一步劣化的趋势。本讲座以我国古代石灰基建筑材料为例，系统阐释这两类材料是如何研究/研发的，并介绍材料科学在建筑遗产保护领域中的实际应用。
讲座内容
图1 糯米灰浆的组成及应用
01 建立不可移动文物信息调查、记录、核验的模式与方法
马教授在讲解中，以“衣食住行”里与人类生存福祉息息相关的“住”为切入点，系统梳理了石灰基建筑材料的历史脉络、核心成分及在古代建筑领域的广泛应用。他结合中外考古实证与精准数据，将这种古老材料的独特性能与应用优势阐释得通俗易懂。
石灰基建筑材料的应用史堪称人类文明演进的缩影，其起源可追溯至遥远的新石器时代——土耳其一处距今约万年的考古遗址中，就发现了石灰涂层的早期应用痕迹，印证了人类对胶结材料的早期探索。在我国，石灰的应用同样历史悠久，先秦时期的考古发掘中，多处宫殿、墓葬遗址的地面都留存着白灰面铺设的痕迹，质地坚硬光滑，展现了当时成熟的石灰加工技术。
图2 石灰循环
马教授着重解析了石灰基材料的核心制备流程，即完整的“石灰循环”：首先从矿山开采质地纯净的石灰岩，经筛选后投入窑中，在800-1000℃的精准温度下煅烧，生成生石灰；随后通过水化反应将生石灰转化为熟石灰，再按比例混合砂石等骨料，经过充分搅拌后形成兼具黏性与强度的石灰灰浆。这种灰浆因良好的胶结性、耐水性及可塑性，成为古代建筑的“黏合剂”，从城墙砌筑到房屋抹灰，均发挥着不可替代的作用，见证了中外古代建筑技艺的辉煌。
02 “寻”：中国古代石灰基建筑文物制作技术演变过程
图3火山灰反应和水化硅酸钙公式
马教授以武当山遇真宫、故宫养心殿、长城城墙等标志性建筑为例，系统阐述了古代建筑材料分析与检测的前沿成果。他强调：“通过多学科交叉研究古代石灰基建筑的原材配比与营造技艺，不仅能完善中国建筑科技史的谱系建构，更能在保护修缮中破解传统工艺的现代转化难题。”
图4 武当山遇真宫 (UNESCO 世界文化遗产)
图5 故宫养心殿(UNESCO 世界文化遗产)
图6 长城城墙(UNESCO 世界文化遗产)
以武当山遇真宫保护工程为例，面对南水北调中线工程带来的淹没风险，项目团队创新采用“整体顶升+构件复建”方案：将三座宫门主体结构顶升15米，其余建筑按原工艺拆除重建。该方案既完整保留了建筑的空间格局，又通过模块化施工缩减人力物力。遇真宫墙体材料为多层结构，包括粗泥层、细泥层、过渡层和白灰层，通过逆向工程研究其原材料和工艺。保护方案结合了现代工程技术和传统材料研究，创造了文物单体顶升的世界纪录。
在中国古代水硬性建筑材料时空演变研究的探索进程中，一个不容忽视的问题在于：学界对中国古代水硬性建筑材料发展脉络的深度发掘与系统性传播存在显著短板。这种学术认知的滞后，直接导致欧美学界长期低估中国古代在该领域的技术成就。受限于史料解读的片面性，部分西方学者曾断言中国古代缺乏成熟的水硬性材料技术体系。然而，近年来的考古实证彻底颠覆了这一认知——安徽南陵北宋墓葬出土的三合土棺椁，以其堪比现代混凝土的抗压强度震惊学界。经成分分析显示，该棺椁通过精准掺入砖粉与陶粉，形成了具有显著水化反应的复合材料体系，其矿物相组成与物理性能均达到强水硬性材料标准。这一发现不仅证实了中国北宋时期已掌握人工制备高性能水硬性材料的技术，更揭示出中西方在该领域存在迥异的技术演化路径：中国依托丰富的陶土资源与烧制技艺，发展出以砖陶粉末为关键添加剂的特色工艺；而西方传统则侧重于天然火山灰与石灰的化学反应。这种技术差异背后，折射出不同文明对本土资源的创造性转化，也提示我们需通过跨学科方法，深入解析中国古代水硬性材料技术的地域扩散特征与工艺传承机制。
图7 安徽南陵北宋墓葬 (1087 AD)三合土灰浆
03“探”：中国古代石灰灰浆复合材料增强增韧机理
传统三合土强度高是因为有较高的密度，合适的石灰、砂、粘土比例，恰当的砂粒径级配比例，以及有水硬性物质C-S-H的生成。通过严谨的实验对比，得到进一步结论：传统三合土强度高还源于有机添加剂对氢氧化钙碳化过程的调控，且各因素之间相互影响。
图8养护10天和28天砂浆样块不同深度的碳化程度
在实验过程中，引出了一个关键科学问题，即添加剂对氢氧化钙碳化过程的影响机制。常温条件下，气硬性石灰碳化速率慢、早期强度低，需要依赖空气中的CO2完成碳化过程。在石灰砂浆内部引入碳酸铵添加剂，在石灰砂浆孔溶液体系中直接提供CO32，调控氢氧化钙碳化过程，起到加速碳化反应的目的。
04“保”：石灰基文物保护材料与工艺
马教授分为两部分进行讲解石灰基文物保护材料与工艺：一，适用于古代石灰基建筑材料的保护材料与工艺，即原位仿生合成羟基磷灰石加固建筑灰浆、壁画；二，用于文物保护的石灰基新型功能材料，即基于C-S-H的潮湿环境脆弱砂岩质文物保护材料研究。
图9壁画的示意结构
在原位仿生合成羟基磷灰石加固建筑灰浆与壁画方面，马教授介绍了常规加固剂，如有机材料中的天然/合成高分子材料，和无机材料中的氢氧化钙石灰水(Ca(OH)2 lime water)、氢氧化钡溶液(Ba(OH)2 solution)、草酸铵溶液（Ammonium oxalates）等。
作为加固材料的羟基磷灰石，具有溶解度极低、稳定性较广、前驱体渗透性好、兼容性好，适用于石灰基文物的保护。以壁画为例，盐稀微生物导致苏化、失去粘连性，需要对壁画进行加固。通过实验可知，实际加固需要考虑不同微环境的差异，如温湿度、盐分、微生物等；纳米氢氧化钙去除多余磷酸铵溶液看，可精准控制晶体生长。通过电场调控加固材料的分布，可实现更均匀的加固效果，避免表面过强内部过弱的问题。
图10 中国古代纯土样（A）与某三合土（B）SEM图片
在进行修复和保护处理的灌浆工艺研究方面，水化硅酸钙材料适用于潮湿环境的砂岩文物保护，具有高纯度和良好的粘接性能。通过C-S-H 原位合成条件的探索、灌浆材料性能研究、与基体界面作用机理研究三个实验，得到以下结论：一，常温条件下，实验实现了对高纯度C-S-H胶凝材料的原位合成；二，C-S-H基砂浆的机械强度，随Ca/Si比和水胶比的降低而增大；三，低Ca/Si比和水胶比条件下，砂浆的孔结构也更为致密；四，实验确定了北山石窟的灌浆材料合适配方比例，其具有良好的工作性能和适宜的机械强度(抗折/压强度 = 2.0/8.9 MPa)与粘接性能(拉拔粘接/剪切粘接强度 = 0.3/1.6 MPa )，不会对被保护岩石基体产生破坏作用；五，C-S-H可与北山石窟岩石主要成分形成氢键等作用，首次在类似体系中证实了化学成键的作用。实验为不同场景的粘接剂（水泥、胶水等）提供了研发经验。
05 古代建筑材料研究是一个交叉性非常强的研究领域
图11 学科关系图
讲座的最后，马教授提出：“建筑是凝固的音乐，而古建筑保护则是这首乐曲最精妙的“修复师”。它要求你既是严谨的科学家——用材料学分析腐朽，用结构力学计算加固；又是敏感的美学家——理解古人的营造法则与哲学思想；更是富有想象力的创造者——用数字技术让湮灭的辉煌在虚拟中重生。在这里，理科的严谨、文科的洞察与艺术的感性将完美融合，为你提供一个绝佳的交叉学科舞台，让你成长的每一面都熠熠生辉。”
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供稿：顾泊桐
排版：张传志
审核 ：万莉、肖泽