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(duì)西安市緯零街唐代溝渠遺址出土的唐代磚瓦殘塊進(jìn)行分析，總結(jié)唐磚瓦的材料性能及其反映出的制作工藝信息，以期為現(xiàn)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(shù)據(jù)參考。

關(guān)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(guó)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(yīng)用。有關(guān)古代磚、瓦材料性能的研究，對(duì)當(dāng)今文物建筑修復(fù)材料的選擇具有重要參考價(jià)值。如唐塔的修復(fù)，通常使用現(xiàn)代仿古磚進(jìn)行塔身修補(bǔ)，現(xiàn)代仿古磚雖強(qiáng)度好，但結(jié)構(gòu)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(nèi)部返潮，引發(fā)夯土部分的粉化，不但沒(méi)有起到保護(hù)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(xiàn)代仿古磚的適配性提供數(shù)據(jù)參考，使其更好地、“形神兼?zhèn)洹钡厝谌牍沤ㄖ?。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(duì)象，對(duì)其基本物理性能、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及熱穩(wěn)定性能進(jìn)行綜合相關(guān)性分析，總結(jié)唐瓦、唐磚的材料性能特點(diǎn)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(jiǎn)介

西安市緯零街出土唐代遺址原為隋唐長(zhǎng)安城安義坊、安德坊范圍，兩坊皆為長(zhǎng)安城最南的坊，緊鄰?fù)夤浅菈Γ擦x坊西側(cè)為朱雀大街。2021年6月發(fā)掘的其南向區(qū)域（即現(xiàn)唐城墻遺址公園）為長(zhǎng)安城外郭城城墻范圍?！堕L(zhǎng)安志》中有關(guān)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(nèi)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(fā)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(guī)整、部分有花紋、質(zhì)地較致密，符合典型的唐瓦、唐磚特征。研究團(tuán)隊(duì)從溝渠遺址中隨機(jī)選取唐瓦、唐磚各1塊作為分析測(cè)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(zhì)地堅(jiān)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?yàn)槭菤埰u底情況不明，其截面質(zhì)地與顏色均勻，散布有小孔洞（圖1∶3）。

2 分析檢測(cè)與結(jié)果討論

2.1 基本物理性能測(cè)試分析

參照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量，同一樣品按標(biāo)準(zhǔn)流程測(cè)試三遍，最終得到密度、吸水率和飽和系數(shù)。需要注意的是，因樣品不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的樣品要求，開口孔隙率測(cè)試及計(jì)算方法參照同濟(jì)大學(xué)發(fā)表的研究論文中提出的方法②。具體如下：沸煮5小時(shí)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(shù)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(shù)大，這和肉眼觀察到唐瓦截面質(zhì)地較致密、唐磚截面質(zhì)地較酥松是一致的。唐瓦、唐磚樣品密度均低于現(xiàn)代普通黏土磚的密度（1.70 g/cm3），這可能與當(dāng)時(shí)原料處理和制坯工藝有關(guān)。

吸水率是指磚瓦對(duì)水有一定的吸附滲透能力，是檢驗(yàn)黏土磚瓦質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。唐瓦樣品的吸水率略高于現(xiàn)代燒結(jié)瓦（《GB/T 21149-2019燒結(jié)瓦》）Ⅲ類瓦③的最大值18%，唐磚樣品的吸水率大大高于燒結(jié)普通磚（《GB/T 5101-2017燒結(jié)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(jié)果受風(fēng)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(guó)ZEISS公司D07739 型光學(xué)顯微鏡初步觀察樣品剖面并選定典型區(qū)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(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行化學(xué)元素分析；用美國(guó)FEI公司的特高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Verios G4［配備能譜儀（EDS）］觀察唐磚樣品典型區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行化學(xué)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(jié)構(gòu)（圖2、圖3）。唐瓦樣品的片狀結(jié)構(gòu)更致密均勻，孔洞較少；唐磚樣品的片狀結(jié)構(gòu)較酥松，有較多的不規(guī)則顆粒和小孔洞。高倍電鏡分析顯示，唐磚樣品內(nèi)部孔徑為200～300 nm的不規(guī)則微孔結(jié)構(gòu)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(jù)兩樣品截面呈現(xiàn)致密均勻、小粒徑的微觀結(jié)構(gòu)特征，推測(cè)在唐瓦、唐磚的制作過(guò)程中，對(duì)原料進(jìn)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(xué)元素基本相同，均含有C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe九種化學(xué)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(dòng)、成像型多技術(shù)X射線光電子能譜儀分析測(cè)試唐瓦、唐磚兩樣品中的化學(xué)元素。結(jié)果表明：兩個(gè)樣品的全譜掃描圖中均出現(xiàn)了與元素C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe相對(duì)應(yīng)的光電子譜線，從而證實(shí)了樣品表面由這些元素組成，該結(jié)果與EDS能譜得到的結(jié)論一致。元素精細(xì)譜圖分析說(shuō)明：Ca、Mg兩元素的化合價(jià)為+2；Al元素的化合價(jià)為+3；Si的化合價(jià)為+4。在這些元素中，F(xiàn)e元素的價(jià)態(tài)較為復(fù)雜，可呈現(xiàn)0、+2、+3多種價(jià)態(tài)。兩個(gè)樣品的Fe 2p精細(xì)譜圖均顯示在電子結(jié)合能約為726 eV、712 eV處出現(xiàn)了兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)于Fe 2p1/2、Fe 2p3/2的獨(dú)立特征響應(yīng)峰，且兩峰之間無(wú)衛(wèi)星峰，該結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道⑤的Fe3O4中Fe的特征結(jié)合能峰位置一致，說(shuō)明兩樣品中的鐵元素主要以Fe3O4的形式存在。

綜合上述，根據(jù)EDS能譜和X射線光電子能譜（XPS）分析結(jié)果，可得出唐瓦、唐磚樣品中的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比（表1）。兩樣品都呈現(xiàn)出低硅、低鋁的特點(diǎn)，同時(shí)唐磚還呈現(xiàn)出高鈣的特點(diǎn)。此外，唐瓦樣品中檢測(cè)出Ti元素，唐磚樣本中沒(méi)有檢測(cè)到該元素。將兩樣品與現(xiàn)代燒結(jié)磚瓦原料⑥，以及我國(guó)黃土高原地區(qū)廣泛分布的馬蘭黃土化學(xué)成分⑦進(jìn)行對(duì)比（表1）可知，唐瓦樣品的化學(xué)成分與馬蘭黃土成分相近，應(yīng)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(lái)源于后期可溶鹽在磚內(nèi)部的沉積，Al、Fe則可能與制磚時(shí)原料處理和添加工藝有關(guān)。唐磚、唐瓦樣品中的Fe元素均以Fe3O4（磁鐵礦）的形式存在，說(shuō)明燒制磚、瓦采用的是還原氣氛，這與兩樣品均呈現(xiàn)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(duì)兩樣品進(jìn)行X衍射定性分析，兩樣品的衍射圖譜呈現(xiàn)出相似的形態(tài)，兩個(gè)樣品的礦物組成主要為石英、輝石、鈉長(zhǎng)石、磁鐵礦，其中石英的含量最大，與現(xiàn)代燒結(jié)磚瓦的礦物組成基本一致（表1）。比較兩圖譜可以發(fā)現(xiàn)，唐瓦樣品中石英的含量比唐磚的高，而唐瓦中輝石、鈉長(zhǎng)石、磁鐵礦的含量略低于唐磚，這與表1體現(xiàn)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(xué)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(lái)自不同地區(qū)的結(jié)果。

2.5 熱重-差熱性能測(cè)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(duì)兩樣品進(jìn)行了熱重-差熱性能測(cè)試。采用的儀器是德國(guó)耐馳公司STA449F3同步熱分析儀，測(cè)試條件：溫度范圍為室溫～1200 ℃，升溫速率為10 ℃/min，測(cè)試氛圍為空氣。結(jié)果表明：唐瓦樣品在1200 ℃時(shí)的熱失重為2.06%，低于650 ℃時(shí)質(zhì)量減少約1.64%，在650～750 ℃之間出現(xiàn)質(zhì)量變化約為0.57%的失重臺(tái)階，并伴隨有一個(gè)弱吸熱峰，可推斷該區(qū)間有物質(zhì)發(fā)生分解（圖4）；唐磚樣品在1200 ℃時(shí)的熱失重為1.65%，低于600 ℃時(shí)質(zhì)量減少約1.26%，在600～700℃之間出現(xiàn)質(zhì)量變化約為0.72%的失重臺(tái)階，并伴隨有一個(gè)弱吸熱峰，可推斷該區(qū)間有物質(zhì)發(fā)生分解（圖5）。綜合分析熱重和差熱的測(cè)試結(jié)果，推斷兩樣品的原始燒成溫度可能為600～700 ℃。

3 結(jié)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(xiàn)代普通燒結(jié)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(xiàn)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(guī)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(guī)則微孔結(jié)構(gòu)，反映出兩樣品的制作原料都進(jìn)行過(guò)有意識(shí)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(xué)成分與黃土高原廣泛分布的馬蘭黃土接近，應(yīng)為就近取材燒制而成。唐磚樣品的化學(xué)成分與馬蘭黃土相比，具有低硅、高鈣、高鐵的特點(diǎn)，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(lái)自不同地區(qū)。④唐瓦、唐磚樣品的礦物組成相似，主要為石英、輝石、鈉長(zhǎng)石和磁鐵礦，其中石英含量最大，與現(xiàn)代燒結(jié)磚瓦基本一致。唐瓦樣品中，石英的含量比唐磚高，輝石、鈉長(zhǎng)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(lái)自不同地區(qū)。⑤唐瓦、唐磚樣品的原始燒成溫度在600～700 ℃的范圍內(nèi)，采用還原氣氛。

注釋

①中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 5101-2017燒結(jié)普通磚[S].2017-12-29；中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GBT2542-2012砌墻磚試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版，2013；中華人民共和國(guó)國(guó)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(guó)國(guó)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(guī)則形狀磚孔隙率和體積密度的實(shí)驗(yàn)方法[J].結(jié)構(gòu)工程師，2017，33（3）：174-178.

③中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 21149-2019燒結(jié)瓦[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

④中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 5101-2017燒結(jié)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(jié)磚瓦工廠生產(chǎn)技術(shù)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(qū)馬蘭黃土主要化學(xué)成分的再研究[J].自然科學(xué)進(jìn)展，1996（1）：80-85.