古建筑修復技術
——灰作材料的應用研究

邱振原,董作榮,沈 飛,蘭可染,鄧嘉美,曾芯悅

（嘉應學院 土木工程學院，廣東 梅州 514015）

0 引言

灰作材料為水泥未普遍運用前，建筑上的最重要的材料與技術之一，而近年來逐漸凋零或失傳，但其在古跡與歷史建筑的運用極廣，故本研究的目的在利用匠師口述灰作配比，試驗不同白灰原料，找出最適合于面層抹灰配比材料.本研究從國內古文獻的搜集及相關研究成果整理分析，以了解貝殼石鍛燒成的石灰、煅燒出的燔石（石灰石）、蠣灰等傳統灰作的作法、材質、配比等，以供田野調查、實驗分析等相關研究之參考；透過對傳統匠師的訪談，以了解各種灰作之組成、配比以及古建筑修復工程的灰作質量不佳問題，包括施工后石灰材料體積收縮產生裂縫大小等；灰作材料使用各種不同類型的白灰，其性質差異頗大，影響質量甚劇，文獻較少有灰的試驗研究.

本研究經由訪談得知灰作材料與配比，進行試體制作試驗以了解材料性質.另外，亦對硓占石灰蠣殼灰，大理石石灰等3 種常見石灰原料，委托SGS 專業第三方測試、檢驗和認證機構進行化學檢驗分析，以了解其組成成分之差異，以作為判斷其性質差異之原因.

1 古文獻整理分析

據《左傳》所述：成公二年（公元前635 年）“八月，宋文公卒，始厚葬，用蜃炭”.這里所說的“蜃炭”，《左傳注疏》里指明“燒蛤為炭，亦灰之類”.[1]說明用貝殼石煅燒成的石灰，在中國春秋戰國之時已被人們所認識，并利用灰類極易吸收水分的特性，將其用于防潮.石灰用于粉刷墻面，在《周禮考工記》已有記載，謂之“以蜃灰堊墻”.其他在古籍專書中以明宋應星《天工開物》石灰制作和宋李誠《營造法式》所述及的灰作制度最具代表.

1.1 《天工開物》分析

《天工開物》記載從17 世紀以來，中國已有采礦冶煉等技術，并建立唐宋時期的基礎，且愈提升操作水平，文中對于磚瓦制造、陶瓷冶煉、金屬器具、舟車制造、采礦化工、造紙印刷等均有陳述，各種原材料的產地及加工時的用量與加工過程等亦有記載.在卷中第十一章里分述之章文為“宋子日：五行之內土為萬物之母，子之，貴者豈惟五金哉，金與火相守而流，功用謂莫尚焉矣，石得燔而成，功蓋愈出而愈奇焉，水浸滛而敗，物有隙必攻，所謂不遺絲發者，調和一物以為外，拒漂海則沖洋，瀾黏甃則固城雉不煩，歷侯遠涉而至寶，得焉，燔石之功殆莫之，與京矣至于礬，現五色之形硫為群石之，將皆變化于烈火，巧極丹鉛，爐火方士縱焦唇舌何嘗，肖像天工之萬一哉”.[2]

記述中，宋應星曾說過五行（金、木、水、火、土）里土為萬物之母，土坯里蘊藏許多寶藏，含有金、銀、鐵、銅、錫等統稱五金，最好的可提煉為黃金，而礦石經煅火燒成再經水化后即可成為建筑體最有用的建筑材料：石灰可作為基礎、筑墻及相關建材之黏著等用途，而它之取得均在鄰近地區，所煅燒出來的燔石（生石灰）以青色為上等材，黃色次之，而此種可成灰之石均在土內2～3 尺深以上挖取，經底層為木材、一層迭石、一層煤炭泥餅之鋪成后煅燒，因火候不均而有優劣之質的生石灰.經風化或水化后成熟石灰再經養灰后調配各種拌合物，加桐油、魚油則成油灰；可與絹做補縫材料；砂土拌合后之灰材可砌墻加上麻絨與紙筋可做噴及墻壁之表面材料；拌砂土外再加適量的糯米、羊桃藤汁等可筑堅固之三合土墻.而在臺閩沿海地區因燔石不易取得，則以蠣灰為代用品，由蠣蠔殼經火煅燒后而成之灰，未經煅燒或火候不足者為不合格之材料.

1.2 《營造法式》分析

《營造法式》為中國現存時代最早、內容最豐富的建筑學著作.北宋紹圣四年（1097）將作少監李誡奉令編修，元符三年（1100）成書，崇寧二年（1103）刊印頒行.本書內容除行政管理上“關防工料”的要求外，側重于建筑設計、施工規范，并有圖樣，是了解中國古代建筑學研究古代建筑的重要典籍.全書34 卷，書前另有看樣、目錄各一卷.“看樣”的內容主要是各“作”（工種）制度中若干規定的理論或歷史傳統根據的闡釋.

包括建筑物各個部分的設計規范、比例的標準數據、施工方法和工序、各種構件的權衡、用料的規格或配合成分，磚、瓦、琉璃的燒制方法.卷十六至卷二十五為“功限”，詳細列舉各種工程所需的制作和安裝之單位工作量，各工種所需輔助工（供作功）數量，以及舟、車、人力等運輸所需裝卸、架放、牽拽等工額.卷二十六至卷二十八為“料例”，規定使用材料的限量.其中或以材料為準，如列舉當時木料規格，注明適用于何種構件；或以工程項目為準，如粉刷墻面（紅色），每一方丈干后厚一分三厘，需用石灰、赤土、土朱各若干斤.卷二十九至卷三十四為圖樣.以上制度、功限、料例、圖樣等部分，均按壕寨“土作”、石作、大木作、小木作、雕作、旋作、鋸作、竹作、瓦作、泥作、彩畫作、磚作、窯作等13 個工種分別記述.這些工種的內容，一部分同后世的分工相近.本書中雖對灰作并沒有太多的敘述，但在卷十三及二十五均述及泥作用料、工限及作法等.

2 國內研究成果整理分析

在張海清等古建園林技術中“古建筑灰漿”，國內傅統匠師中有“九漿十八灰”之說法，在古建筑施工過程里，灰漿廣泛使用在砌墻、抹飾上，主要為分述古建筑常用之灰及漿的配比、制作方式和用途[3].在明、清官式建筑中之層頂作法，灰背作法是解決平臺屋頂以及天溝等部位防水問題之措施，并記載傳統灰背操作方式、宮廷灰背作法中的幾種特殊手法，如壓麻作法、錫背作法、油衫紙作法、三麻布作法、鹽鹵鐵作法，而現行之灰背作法則簡化步驟[4].磚瓦抹灰工工藝學，其主要將磚、瓦抹灰工常用材料，配合技術數據，反映施工需要，其中灰主要用在研筑材料之特性、種類、配比所運用步驟及注意事項，并將抹灰工程的質量要求和檢查方法明確的列出[5].

3 傳統匠師的配比

依采訪匠師口述灰作經驗，將訪談匠師所得各項灰作材料及配比如：潑灰、黃土、砂、石灰、水、碎石、糯米漿、海菜漿、黑糖水、鴨蛋白、麻絨等材料，實際拌合成5 公分立方試體.試體抗壓強度介于3.44～23.46 kgf/cm2，平均抗壓強度約為9～10 kgf/cm2，而其中添加水泥粉之配比試體之抗壓強度普遍偏高.

研究評析：（1）此研究提供較為完整的各項灰作作法與配比；（2）對于灰作中的各項材料之特性作整理說明；（3）此研究的試驗計劃之試驗內容、控制變數并未十分清楚，實驗結果之分析不夠明確，且缺乏抗壓性質以外的試驗內容.

4 灰作工程現況面臨之問題

灰作工程現今主要運用于古建筑修復工程之中，但在實際運用層面上卻面臨了下列諸多的問題，有待進一步研究找出解決之道：（1）一般土水匠師已對灰作之技藝不熟練.灰作的操作程序復雜，使用的部位廣泛，使用配比的種類亦多，但在水泥出現后逐漸消逝，近年來，有經驗的老匠師逐漸凋零，多數的泥水匠師皆無灰作實際操作的經驗，大多為對古建筑修復工程之需要，由較具經驗的灰作匠師指導學習灰作技藝，但技藝熟練度不足，造成古建筑修復灰作的質量低落；（2）灰作操作程序容易為匠師所簡化.灰作操作程序繁復，費時亦費工，所以有關潑灰、過節、養灰、錘煉等重要步驟，往往為匠師所簡化，甚至有些泥水匠師完全不知這些步驟，導致灰作質量不佳；（3）檢查驗收無一定規范基準.因灰作目前尚無規范建立，故檢查驗收無一定基準，往往僅于面層作白灰粉刷，而非原有完整的交作作法.

5 實驗

本次灰作材料性質之試驗研究目的，重點著重在探討白灰原料來源不同其對應的性質之差異；另外，有關傳統灰作重要的操作項目如潑灰、養灰等，亦透過實際操作，來觀察了解其要領與材料特性.

5.1 試驗配比

本次研究實驗的主要重點為不同白灰原料來源性質差異的基礎研究，所以在配比設計上，以變數最少為原則：（1）純灰.純灰的試驗不添加白灰以外的材料，取用時為養灰槽中沈淀部分的白灰泥，以探討單一白灰的性質差異；（2）砂灰.以砂與白灰體積比2∶1 的配比混合，白灰為養灰槽中沈淀部分的白灰泥，以探討白灰泥加砂后的性質差異；（3）麻絨灰.白灰膠泥為提高其施工的穩定性與防止龜裂，通常會添加麻絨等纖維物（見圖1），此類灰稱為麻絨灰或麻刀灰.依用途不同可再分為大麻絨灰及小麻絨灰.

圖1 粗麻絨和細麻絨兩種材料

大麻絨灰：長度約3～5 cm，與灰的調和比例100∶5，用于面層灰的打底找平.小麻絨灰：長度不大于1.5 cm，與灰的調和比例100∶·（3～4），用于面層抹灰.

本研究以白灰與麻絨重量比100∶5 的配比養灰，白灰為過篩后之白灰，以探討麻絨添加的養灰過程與麻絨灰的材料性質.

5.2 試體制作

（1）將試體取出進行試體編號，見圖2；（2）試體放置于工作臺上檢視其外觀并記錄之；（3）用銼刀將試體突出部分予以銼平；（4）以光標尺測量試體尺寸并記錄之，準確單位至mm；（5）啟動彎曲試驗機，將機臺面下降至適當高度；（6）以水平氣泡儀調整機臺面，使之呈現水平；（7）開始手動加壓施力，隨著載重增加持續觀察試體變形與破壞情形；（8）當試體達最大破壞時，記錄其最大抗壓載重，見圖3.

圖2 試體制作

圖3 實驗前試體外觀及試驗后試體破壞

5.3 抗壓強度試驗結果

（1）以下茲就各齡期各試驗材料經抗壓試驗所得之數據，加以整理成表1，整理統計見圖4、5.

表1 灰作材料各齡期抗壓強度試驗比較表

圖4 灰作材料各齡期最大荷重(kg)統計圖

圖5 灰作材料各齡期抗壓強度(kg/cm2)統計圖

本次研究實驗為不同白灰原料性質差異的基礎研究,抗壓強度（不加砂）,17～21 d 期間，抗壓強度依大小順序為硓古石灰、蠣殼灰、大理石石灰，除大理石石灰外，主要成長期為7～14 d，14～28 d 期間強度變化不大，顯示己經步入穩定階段，部分則有些微的強度下降.

大理石石灰的初期抗壓強度極低，但14～21 d 其間，強度有明顯成長，成長超過5 倍，而21～28 d 期間，仍持續高度成長，而其28 d 強度己成長至僅次于硓古石灰之強度.

抗壓強度（加砂，砂與灰比例1∶2）,加砂平均約可提升抗壓強度22%.但以蠣殼灰加砂抗壓強度提升最少（5%）.7～21 d 期間，抗壓強度之比較與不加砂相同，依大小順序為硓古石灰、蠣殼灰、大理石石灰，主要成長期亦是與不加砂相同為7～14 d 時期；加砂蠣殼灰在14 d 后進人穩定期，但是加砂硓古石灰14 d 后有明顯下降之超勢.

加砂大理石石灰的初期抗壓強度極低，但與未加砂者比較，強度成長稍快；14～21 d 期間，強度有明顯成長，而21～28 d 期間，仍持續高度成長，而其28 d 強度己成長至僅次于硓古石灰.

上述的試驗成果，推論硓古石灰抗壓強度特別高，可能系因其所含SiO2（含砂量）最高有關，SiO2除可增加抗壓能力外，且形成較大的顆?？紫?，可加速石灰碳化成CaCO3.

大理石石灰的初期抗壓強度極低，與其保水性能極強有關，但拆模后強度便明顯提升，因可加速水分的蒸散與碳化的作用.

5.4 各檢驗樣本的成分檢驗結果

據文獻與匠師訪查得知各種不同類型的白灰，其性質差異頗大，但其原因不甚清楚，唯有透過白灰成分分析檢驗，才能推測判斷其性質差異之原因.

本研究將所能取得的白灰及其原料，包括硓古石灰、蠣殼灰，大理石石灰、取得適量的樣本，以作為分析之用.本研究主要的檢驗項目為各樣本中組成成分檢驗，而組成成分以各金屬氧化物為主，包括CaO、SiO2、MgO、SO3、Al2O3、Fe203等.其檢驗方法為以X-射線熒光分析儀（WD-XRI）分析.

有關各檢驗樣本的成分檢驗分析結果整理于表2，并將組成成分中較重要的成分，如CaO、Mgo SiO2，各檢驗樣本的成分檢驗分析結果見圖6.

表2 各檢驗樣本的成分檢驗分析結果 %

圖6 各檢驗樣本的成分檢驗分析結果圖

以下按各項檢驗樣本中各成分比重之差異，探討分析白灰材料性質差異的因素.

（1）氧化鈣（Cao）.氧化鈣（Ca0）為白灰中的最主要成分，共檢驗結果氣化鈣（Cao）含量比例順序為

其中，大理石石灰的CaQ 成分含量最大.而貝類灰中，蠣殼灰之氧化鈣（Ca0）含量大于硓古石灰，與本研究發現硓古石灰的雜質較多一致.

（2）氧化鎂（MgO）.氧化鎂（MgO）為白灰中次重要的成分，其比重多寡影響白灰的性質頗多，其檢驗結果氧化鎂（MgO）含量比例順序為

其中，大理石石灰Mgo 成分含量最低，硓古石灰及蠣殼灰Mgo 成分含量高.

（3）二氧化硅（SiO2）.二氧化硅（SiO2）主要是代表樣本中砂子的成分，其檢驗結果含量比例順序為

貝類灰的二氧化硅（SiO2）較高，尤其是硓古石灰，其砂子顆粒極為明顯，但因顆粒過細，難以篩除，可建議于灰作施作時減少砂的添加.

（4）氧化硫（SO3）.其檢驗結果為大理石石灰特低、蠣殼灰最高.

（5）三氧化二鋁（A1203）.其檢驗結果為硓古石灰、蠣殼灰特別高，可顯示貝類灰的三氧化二鋁（A1203）較巖石灰為高，而大理石石灰特低.

（6）三氧化二鐵（Fe2O3）.其檢驗結果為硓古石灰、蠣殼灰較高，大理石石灰特低.

5.5 試驗結果

試驗結果見圖7，其中：（1）硓古石灰.形成2 條大裂縫,裂縫寬度為0.5 mm 與0.2 mm,區分成三個區域，各區域內并無其他裂縫；（2）蠣殼灰.有1 條0.5 mm 裂縫橫貫表面，另有數條0.2 mm 的較小裂縫，其他并無裂縫；（3）大理石潑灰.除四個角隅有寬達3 mm 的裂縫外，并無其他的裂縫.

圖7 各樣本粉刷層裂縫試驗

6 結論

綜合探討上述的試驗成果，推論硓古石灰抗壓強度特別高，可能系因其所含SiO2（含砂量，最高有關，SiO2除可增加抗壓能力外，且形成較大的顆?？紫?，可加速石灰碳化成CaCO3.大理石石灰的初期抗壓強度極低，與其保水性能極強有關，但拆模后強度便明顯提升，因可加速水分的蒸散與碳化的作用.

灰作材料經過試驗分析發現現有的白灰易龜裂、塑性差、黏性差，不適宜運用于面層抹灰；貝類灰（硓古石灰、蠣殼灰）塑性佳、性能佳、自身體積收縮?。ú灰斄眩?，適合于面層抹灰.礦物性灰（大理石灰）抗壓性能較差.硓古石灰的運用應注意其本身含砂量較高，砂的添加應適度調整.