古建筑里的“添加剂”
周乾
（本文载于《知识就是力量》2020年第11期）
我国的古建筑有着悠久的历史和灿烂的文化。它们历经成百上千年而完整地保存至今，这无不与其优秀的施工技术相关。我国的古建筑在施工中会掺入少量“添加剂”。它们巧妙地与古建筑施工材料混合，并通过物理化学反应来提高古建筑的强度、防潮、防老化等性能。下面以糯米、桐油、白矾等三种材料为例进行说明。
一、糯米
糯米又称江米，主要成分为支链淀粉，化学结构式为(C6H10O5)n，其中C6H10O5表示脱水葡萄糖单位，n表示脱水葡萄糖单元数量。糯米不仅用于食品加工，而且在我国古代建筑工程中得到了运用。明朝科学家宋应星所著《天工开物》之“燔石·第十一”载有：“用以襄墓及贮水池，则灰一分，入河沙、黄土二分，用糯粳米、羊桃藤汁和匀，轻筑坚固，永不隳坏，名曰三和土”。这句话的意思就是，在砌筑墓地、蓄水池等地下建筑时，用石灰、沙子、黄土按1:2:2混合，再掺入糯米、猕猴桃汁拌匀，即可建造出牢固不坏的建筑，而这种土，可称为三和土。南京明故宫建造所用（图1）的灰浆成分中含有糯米。明代学者吕毖所著《明朝小史》卷一载有“帝筑京城用石灰、秫粥锢其外，上时出阅视”，这句话可反映南京城在建造时，砌筑砖墙的石灰中掺入秫粥（糯米熬成的粥）。
图1 南京明故宫午门城台
清代皇家建筑古建基础施工中有灌糯米浆的施工的传统做法，即把煮好的糯米汁掺上水和白矾以后，泼洒在打好的灰土上。其中，江米和白矾的用量为：每平方丈(10.24平方米)用江米225克，白矾18.75克。载录于光绪初年（1875）的《惠陵工程记略》中的《看小夯做法规矩》，详细地记载了清代皇家惠陵工程（图2）地基土小夯灰土施工的技术要点，其中第二步灰土施工要求“趁湿打流星拐眼一次，泼江米汁(糯米汁)一层。水先七成为好掺江米汁，再洒水三成，为之催江米汁下行，再上虚，为之第二步土，其打法同前”，即第一步灰土施工夯实后、第二步灰土施工前，在拐眼上分撒两次水，第一次为7成水并掺有糯米汁，第二次为3成水，以利于糯米汁渗入灰土中。这说明，古代工匠充分认识到了糯米对提高建筑基础强度和黏结性能的有利影响。
图2 惠陵隆恩殿
上个世纪末，故宫古建筑维修工程中，曾发现几处元、明时期遗留下来的旧房基础，做法与《营造法式》规定相仿，基础中不仅含有石灰，而且还有白色米粒，且见风变硬，表面泛有一层白霜，抗压强度犹如现行标准砖。尽管没有证据证明白色米粒即为糯米，但可以稻米类植物的粘性已被古人利用加固地基。近年有研究人员通过对故宫内慈宁花园（图3）、长春宫怡情书史、养心殿燕喜堂三处位置的建筑灰浆进行取样分析，发现了其中有糯米的成分，可说明紫禁城建筑工程中运用了糯米材料。
图3 故宫慈宁花园临溪亭
灰土中的CaO与水反应生成Ca(OH)2，再与CO2反应生成CaCO3，反应方程式如下：
CaO+H2O=Ca(OH)2→Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O
研究表明：掺入糯米的灰浆具有强度大、韧性好、防渗性好、防腐性好等优点，其主要原因在于：糯米的主要成分支链淀粉为树枝型分支结构的多糖大分子，黏性很强，其空间形态交错有序，形成吸引力很大的空间网格，可限制Ca(OH)2与CO2的反应，对CaCO3方解石结晶体（灰土中的石灰）的大小和形貌也有调控作用，因而有利于结晶体的致密。
二、桐油
桐油是一种植物蛋白胶，一般通过冷榨3-4年的桐树籽得来，外观呈浅棕黄色。桐油主要成分为桐油酸三甘油脂，即十八碳共轭-9,11,13-酸三甘油脂，分子式可由图4表示。桐油的相对分子量为873，含有3个长分子链。每条分子链上均有3个共轭双键，使得桐油具有很强的反应活性、干燥性能及聚合性能。当桐油覆盖在物体表面时，桐油很容易吸收空气中的氧气成分而产生表面膜，从而使得覆盖物得到保护。不仅如此，桐油是一种有毒性的高分子植物，渗入木材内部后，能阻止菌虫生长繁殖，因而可起到防腐作用。
图4 桐油分子式
直接由桐树籽冷榨的桐油可称为生桐油。生桐油油质透明，略带黄色，耐候性好，不易老化，干燥慢，我国古代工匠有利用生桐油来对木材表明进行防腐、防渗处理的做法。如明代科学家徐光启所著《农政全书》之卷三十八载有“将青松斫倒去枝，于根上凿取大孔，入生桐油数斤，待其渗入，则坚久不蛀”，即在木材内部注入生桐油，可达到防腐效果。又如明代科学家宋应星所著《天工开物》之《卷中》载有“凡船板合隙缝以白麻斫絮为筋，钝凿扱入，然后筛过细石灰，和桐油舂杵成团调艌”，即古代工匠在造船时，为防止板缝漏水，首先用麻塞入船缝，再用石灰与生桐油的混合物抹实，以达到防渗的效果。紫禁城（故宫）地基施工工程中，重要宫殿建筑的基础防潮处理方式为：采用生石灰、黄土、碎砖及生桐油的混合物，其中桐油与生石灰的重量比为5：100，夯实后的土层即可达到防潮效果。故宫地下水比较丰富，古代工匠在有地下水位置夯打土层时，会在土层下使用木桩。从发现的几处地下木桩层来看，木桩表面虽然很潮湿，但并无糟朽现象（图5），这与其表面刷有具有良好防腐、防渗性能的生桐油相关。
图5 故宫木桩基础
生桐油、土籽灰、樟丹按100:7:4（重量比）混合熬制可形成灰油。灰油容易起皮，表面无光泽，不能作为面层涂料；但灰油具有干燥快、防潮好、防水性强等特点，因而可起到胶结砖灰的作用。生桐油、苏子油、土籽按重量比100:20:3（重量比）混合熬制可形成光油。光油不仅具有较高的强度、韧性、耐水和耐磨性能，而且表面光亮，因而用于罩面油。紫禁城古建筑内的金砖地面铺墁，有一道“使灰钻油”的工序，该工序充分发挥了生桐油、灰油和光油的材料特性。“使灰钻油”的工序规定，在铺墁完的金砖面层上分3次浇筑桐油，第1次在干透的地面上刷生桐油1-2遍，第2次用麻丝搓1-2遍灰油，第3次刷1-2遍光油。浇筑桐油的金砖地面坚固密实，历经数百年光亮如新（图6）。需要说明的是，此处的“金砖”并非金子做的砖，而是明清时期由苏州陆慕御窑村所造，专供皇宫重要宫殿地面铺墁的砖。由于其烧造工艺复杂，造价极为昂贵，因而被称为“金砖”。
图6 故宫太和殿内的金砖地面
三、白矾
白矾别名明矾、矾石、羽涅、羽泽、理石、白君等，主要成分为硫酸铝钾KAl(SO4)2·12H2O。白矾是我国传统中药药材之一，内服有止血止泻、祛除风痰的功效，外敷则有解毒杀菌、燥湿止痒的功效。不仅如此，我国古建筑基础、瓦石、彩画等工程中巧妙地掺入了白矾，增强了古建筑本身的防破坏“抵抗力”。
如北京紫禁城建立在元代皇宫遗址上，其基础做法特征为：原有地基被全部挖去，然后重新由人工回填基础，即一层三七灰土（生石灰与黄土的质量比为3：7）、一层碎砖，反复交替（图7）。其中，灰土层主要由灰土、糯米和白矾组成，一般将煮好的糯米汁掺上水和白矾以后，泼洒在打好的灰土上。糯米和白矾的用量为：每平方丈(10.24平方米)用糯米225克，白矾18.75克。紫禁城古建筑在600年里历经了数百数次地震而保持完好，基础的稳固作用是重要前提。现代科学研究表明：明矾掺入灰土中后，形成钙矾石，其固相体积膨胀对糯米灰浆的干燥收缩起了一定补偿作用，因而有利于提高灰土的抗压强度、耐水性能和耐冻融性能。
图7 故宫古建筑分层基础
又如颐和园十七孔桥（图8）是北京园林中最长最大、且孔数最多的石桥，其铺墁所用灰浆多含有白矾。而清雍正十二年(1734)由工部刊行的《工程做法》卷五十二载规定了汉白玉、青白石等石材铺墁时，石材与基层接缝处灌浆的灰浆材料为“宽一尺长一丈（石材）用白灰（生石灰）六十斤、江米（糯米）三合、白矾六两”，此处“合”为体积单位，为一升的十分之一。掺入白矾的灰浆材料不仅有使得石材与基层牢固结合，还有防水效果。另外，在石材工程的加固修缮中，部分松动的石材采用铁件拉接时，一般需要用白矾水灌入石材与铁件之间的缝隙中，当水分挥发后，白矾变成硬质结晶体，可以将铁件固定在石材中。
图8 颐和园十七孔石桥
再如天坛皇穹宇内的彩画（图9），其在施工中就用到了白矾。彩画除了有装饰作用外，还能够保护木构件，使之免受空气中的化学成分侵蚀或虫蛀。彩画在施工过程中，一般会用到胶矾水。胶矾水由白矾、水胶（由动物骨骼熬制成的胶）按1:1比例混合，再掺入适当清水搅拌而成。彩画的地仗层（用灰油、白面、石灰水、血料、砖灰、线麻、夏布等材料组成的彩画基层）做好后，在其表面刷一层较稀的胶矾水，可以使地仗的底色与染色互不混淆吸附，有利于彩画纹饰清晰地粘印在地仗表面。胶矾水还可以起到阻隔地仗层的油气返出、防止地仗层中的砖灰返碱并与彩画颜料发生化学反应等作用，以保证彩画颜色的干净和鲜艳。
图9 天坛皇穹宇内的彩画
综上所述，我国古建筑的施工中采用了糯米、桐油、白矾等多种“添加剂”，它们与灰土、砂浆等材料产生了物理化学反应，或成为木材、砖石等构件表面的防护层，使得古建筑的坚固性和耐久性得以提高。这不仅有利于古建筑本身的稳固长久，而且还体现了我国古代工匠卓越的建筑智慧。