重点项目｜肇庆古城墙修缮工程中的材料研究

本期作者：王帅、陈竹茵

肇庆古城墙概况

肇庆古城墙位于广东省肇庆市端州区老城区。始建于宋，距今已有一千多年的历史。城墙保存较为完整，平面呈长方形，周长约2800米。城墙墙面内外两侧皆包砖，内芯填土。砖墙自下而上逐层向内收分，上部厚约0.5-0.6米，下部厚约1.3-1.5米。经历代修缮，城墙上留存由宋至今不同时期的城砖，相互混杂。

肇庆在历史上长期是两广地区的政治中心，其古城墙是肇庆古城最重要历史见证，位置和格局基本保留宋代始建以来的原始形态，是研究我国古代边城规制的重要例证。经过明清等历代修缮，城墙上保留了不同时期、不同规格的城砖及铭文砖，见证了肇庆古城自宋代以来发展变迁。此外，肇庆古城墙还是中国宋代以来筑城及修缮技艺、城墙防洪体系发展水平的重要实证。

图/保护工程实施后的肇庆古城墙俯瞰，拍摄：刁峥

城墙保存状况与病因分析

通过现场实地勘察发现，城墙存在的残损问题，按成因可分为两大类：

其一，城墙受自然风化、风雨侵蚀，使得外包砖勾缝灰浆逐渐剥落，城砖较为松散；顶部海墁缺失，排水不畅，水分侵入城墙内部，内部土芯鼓胀、沉降，导致城墙产生鼓闪、开裂、坍塌等残损问题。

其二，人为干预对城墙的保存状况产生不利影响。由于年久失修，城墙顶面铺砖损毁、缺失。1996年，为保护城墙不受雨水侵蚀，于城墙顶部铺设现浇混凝土防渗层，短时间内改善了城墙顶部的排水问题。但后期混凝土防渗层开裂，顶面与两侧墙体交接处存在缝隙，不仅无法起到防渗的作用，反而导致雨水灌入城墙内且水分不易排出。

图/城墙现状问题

图/城墙残损致因分析

城墙整体保存状况较差，部分段落存在较大的安全隐患，每遇雨季都会出现局部段落坍塌的现象，古城墙亟待保护工程的实施。

图/南城墙修缮前，左图拍摄：王帅，右图拍摄：王一臻

经过现场勘察发现城墙产生的多种病害，都源于水分的侵蚀。设计中采用合适的构造及选取合适的材料，是解决防、排水的关键所在。本文主要从材料研究的角度阐述保护方案中针对城墙防、排水保护技术的探索。

保护材料研究与检验

█ 材料取样分析

在确定古城墙防排水构造后，如何选用合适的材料，是项目成果的关键。项目组首先对肇庆古城墙现有材料进行分析，在城墙不同部位对城砖、勾缝灰浆、内部土芯、城墙护脚等材料进行取样，分析各材料的主要成分及配比，用以指导修缮设计材料的选取。

城砖检测内容包括：城砖尺寸、强度。

城墙经过历代修缮，保留不同时代、不同尺寸的城砖多达数十种，现场勘察时对城墙包砖的尺寸进行统计，下表列举较为典型的尺寸。根据测量选取适当的尺寸烧制城砖，用于城墙的补砌。

表/现状城墙包砖砌筑方式

现场采用回弹法使用测砖回弹仪（型号：ZC4型）对肇庆古城墙砌筑用砖强度进行抽样检测。

抽样检测对象为干燥、平整的条面的宋代、明代、民国时期城墙砌筑用砖，每个年代砌筑用砖各抽检10块，所测宋代砌筑用砖回弹平均值约59，最大值为65，最小值为44；所测明代砌筑用砖回弹平均值约45，最大值为54，最小值为40；所测民国时期砌筑用砖回弹平均值约43，最大值为50，最小值为36（注：检测结果中的回弹值为该砌筑用砖测面的硬度代表值，并非该砌筑用砖的抗压强度值）。

以明代砌筑用砖回弹平均值45为例，按GBT 50315-2011《砌体工程现场检测技术标准》14 烧结砖回弹法及15 强度推定中烧结普通砖测强公式换算，抗压强度约为21.8MPa。由于宋代城砖回弹值超出该公式范围，此强度值仅作为强度数量级的参考，用以比较城墙用砖强度以及修缮新烧制城砖的强度参考。

灰浆实验内容包括：灰浆固化情况检测、样品用灰情况定性检测、淀粉检测、血料检测、X射线衍射成分分析。

表/灰浆XRD半定量分析数据表

通过实验可知：城墙砖缝所用灰浆材料配比不同，是城墙不同时期多次维修的体现。勾缝灰浆在实际使用中一定程度上起到了城墙防水的作用。肇庆城墙内填土用灰量很低，耐水性较差，密实的勾缝灰浆能够阻止流水大量渗入内部填土中，因此勾缝灰浆的有效性对城墙内部填土的保护有重要的意义，在修缮中应特别关注勾缝灰浆的配比和使用。

图/左图为灰浆分析-淀粉阴性（左）及淀粉阳性结果对比，右图为含水率及密度检测取样，拍摄：陈竹茵

三合土检测内容包括：城门三合土吸水率检测、护脚三合土X射线衍射分析等。

图/三合土护脚，拍摄：王帅

使用卡斯腾瓶法对城门三合土进行吸水率检测。根据德国工业标准DIN52617[1]，可按照毛细吸水系数将矿物材料分为四级，分别为不透水、憎水、厌水和透水，参考标准如下表。根据实验结果，城门三合土毛细吸水系数为1.68kg．m-2．h-0.5，符合厌水标准，说明三合土具有很好的防渗性能，可作为防水层使用。

 表/毛细吸水系数分级

另外，通过X射线衍射分析，南门月城护脚与护坡三合土均添加了较高含量的石灰，其中三合土护脚用灰量明显高于护坡，达到38%，从保存状况来看护脚开裂、粉化和溶蚀破坏都比较少，抗风化能力及物理性能都比较优越，城墙保护材料可沿用传统的三合土做法。

█ 修缮材料的研发与实施工艺

城墙修缮烧制新砖其尺寸选择以肇庆古城墙最具代表性的宋砖尺寸为烧制依据，根据城墙保留宋砖进行尺寸统计和比较，取360×180×60mm作为增补城砖的尺寸，修缮中烧制新城砖用于城墙立面补砌以及顶面海墁铺砌。

另外，结合检测结果和国家相关现行标准，对砖的烧制提出如下要求：

a.砖的尺寸允许偏差：长度±2.5mm，宽度±2mm，高度±1.5mm；

b.两条面高度差：不大于3mm；

c.弯曲：不大于3mm；

d.石灰爆裂：不允许出现最大破坏尺寸大于2mm 的爆裂区域；

e.缺棱掉角的三个破坏尺寸：不大于20mm；

f.完整面：不少于一条面和顶面；

g.抗压强度：强度等级：MU20,平均值≥20.0MPa，标准值≥14.0MPa,用于城墙1.5米以下部位的砖强度平均值≥20MPa，单块最小抗压强度值≥16.0MPa,：

h.泛霜：一等品不允许出现中等泛霜；

i.吸水率：小于20%；

k.其它：不允许有欠火砖和酥砖，砖不得出现隐残。

l.裂纹长度：大面宽度方向极其至条面的长度≤60mm，大面上长度方向极其延伸至顶面的或条顶面上水平裂纹的长度≤80mm。

m.色差：一米之内观察基本一致。

n.所有的城砖应加生产年月等标识，以保证修缮的可识别性。

图/新烧制城砖

现场勘察时发现城墙勾缝灰浆流失现象较为普遍，且城墙内部土芯用灰量较低，耐水性较差。为改善这种情况，方案设计中，对城墙的加固材料和勾缝材料进行改进，选用水硬性石灰作为加固灰浆和勾缝灰浆的主要材料。并通过实验室实验确定材料配比，以满足两种灰浆的使用要求。

工程开展前的技术交底环节，施工方建议改进传统灰浆的配比以满足设计效果，此方式即可延续传统工艺做法，同时还能节省施工成本。

图/左为灰浆配制，右为石灰发制，拍摄：秦新发

施工中通过在灰浆中添加草纸、糯米、粗盐、黄糖等改性材料，同时通过提高石灰的配比，提升灰浆的性能。草纸、糯米、粗盐、黄糖均为传统灰浆发制常用改性材料:草纸为灰浆引入纤维，利用纤维降低灰浆收缩性；已有研究证据证明诸如糯米、糖类、蛋白等生物材料能够一定程度上对石灰产生减水、加气等作用，同时通过有机分子调控作用诱导灰浆结晶过程达到改善灰浆性能的作用。调整各类改性材料的种类与添加量，能够满足砌筑、勾缝等不同功能需求。

另外，根据不同的使用需要，调整石灰的比例，以满足砌筑和勾缝的要求。通过材料的检测发现改进之后的传统灰浆能够满足设计要求，施工中获得了较好的修缮效果。

图/灰浆试块吸水性和强度检测报告

鉴于三合土优良的抗风化性能和抗渗性能，在方案设计中，除在城墙底部护脚外沿用三合土铺设散水外，还将三合土用于城墙顶面的铺设中，作为补强和防渗垫层对城墙顶面进行加固。根据实验检测结果为基础，将三合土中石灰的配比适当提高，以提高三合土的抗风化性能。

施工中使用传统工艺夯筑三合土，根据夯筑部位的不同，工序略有差异。

海墁下三合土垫层的夯筑：黄泥、石灰、沙三种材料按比例拌和后，摊铺于城墙顶面进行初打，每次摊铺厚度不超过10cm，且每次夯实长度不超过3米。夯打时由两侧向中间进行，分层及交接口注意交叉错缝。

三合土护脚的夯筑：三合土经过拌和、摊铺后，使用木锤初打至内部土层夯实、表面平整。再使用木耙反复拍打至表面起胶不见裂痕。夯打至一定阶段后，对护脚形状进行修整。然后用布遮盖护脚，每天适量淋水养护，继续拍打，直至不再出现裂痕为止。

图/三合土夯筑，拍摄：罗定市第四建筑工程公司

█ 实施效果的检测

工程实施完成后，为考察海墁的防、排水性能，根据专家建议，项目组在城墙上选取实验点对工程实施效果进行检测。选取的实验点为：工程实施完成一年以上和半年以上的两个部位。

图/海墁防、排水效果的检测，拍摄：李松波

检测方式是将城墙海墁进行局部分层揭露，首先对各层进行观感探察：城砖、灰浆层、三合土各层无裂缝及渗漏现象，且铺设的各层达到了设计的厚度要求。

第二步现场分层检测，对城砖、灰浆层、三合土进行表面毛细吸水率检测。实验数据见下表：

表/城墙海墁各层毛细吸水率检测数据

检测结果表明海墁灰浆层完全透水且孔隙率较高，有一定蓄水能力；城墙砖吸水率中等；城墙三合土和城门三合土吸水率较低。肇庆城墙的砖-灰浆-三合土三层结构构成了有一定水分调节能力的顶面保护层——砖吸水，灰浆层散水储湿，三合土隔水。降水时，通过三层构造阻挡水分进一步下渗；无降水时，构造层维持一定的湿度，避免干裂导致隔水功能丧失。

第三步，三合土吸水率的实验室检测。

将养护后的三合土取样进行实验室表面吸水性（单面吸水率）检测，以实验室吸水率检测作为对原位吸水实验的验证。三合土烘干后进行测定，实验结果如下表：

表/三合土吸水率

实验表明养护后的三合土烘干在单面吸水60分钟后平均线性膨胀率约1.35%，同时实验中发现，吸水开始后20分钟后吸水速率逐渐降低，说明在三合土在潮湿情况下出现微膨胀，吸水速率降低，起到了一定阻水作用。

通过三步实验检测结果可知，修缮方案中的防排水构造设计和材料运用能保证雨水有效排出城墙，工程实施后的海墁层能够达到比较好的防、排水效果。该检测不仅对设计方案进行了验证，同时对施工质量进行监督检验。

小结

肇庆古城墙修缮保护工程以改善城墙防、排水为主要策略，从排水构造做法和材料的分析研究入手解决城墙安全性问题。通过现场勘察和材料分析检测发现城墙勾缝灰浆流失现象较为普遍，且城墙内部土芯用灰量较低，耐水性较差。为改善这种情况，方案设计中，在对城墙提出修补加固措施的同时，注重修缮材料的研究，通过对新材料的研发、传统材料的改进及规范工艺做法，最终确定将改进后的传统材料作为修缮中加固和砌筑材料，既满足了设计要求，延续了传统工艺，同时节省了施工费用。施工实施完成后揭取性的材料实验检测，是本次修缮工程的一大亮点，通过实验对施工效果进行检测，验证工程质量是否达到了设计要求，满足工程目标，起到了材料验证以及对施工质量的监督作用。

贯穿于肇庆古城墙保护修缮工程全过程中对材料的分析、研发和质检，是对整个保护工程质量的保证，也是文化遗产保护工程科学化控制的重要实践与探索。

图/修缮前后对比（左右滑动查看）

相关链接：

【遗产撷英】肇庆城墙历史溯源

视频/肇庆古城墙修缮工程

参考文献：（上下滑动查看）

*本期编辑：胡玥，排版：廷廷，审核：张荣、李建芸。

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