陳彥 Chen Yan

戴仕炳 Dai Shibing

1 前言

對(duì)于地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的長(zhǎng)江以南地區(qū)，白蟻、甲蟲(chóng)、真菌等病害成為木構(gòu)歷史建筑保護(hù)面臨的最大挑戰(zhàn)。以浙南溫州為例，其歷史建筑多為保護(hù)級(jí)別不高的鄉(xiāng)土建筑，當(dāng)?shù)乜辈旌托蘅樇夹g(shù)較為落后，對(duì)木構(gòu)病害的防治大多依賴(lài)于以木材替換木材（timber to timber）和施以藥劑兩種辦法。如果引起木材腐朽的真菌、白蟻等生物原因沒(méi)有消除，僅僅將朽壞木材替換，病蟲(chóng)害極有可能繼續(xù)發(fā)展蔓延[1]；而施用木材防腐劑往往對(duì)人畜健康及環(huán)境有不良影響，且藥效也有時(shí)效性①例如《GB 50206-2012 木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中提出的適用木材防腐劑包括銅鉻砷和劑（CCA）、氨溶季氨銅（ACQ）、吡咯銅（CA）、氨溶砷酸銅鋅（ACZA）和硼酸鹽（SBX）等，但歐盟委員會(huì)2003/2/EC《關(guān)于砷的銷(xiāo)售和使用的限制條件的指令》（COMMISION DIRECTIVE 2003/2/EC of 6 Ja nuary 2003 relating to restrictions on the marketing and use of arsenic-tench adaptation to technical progress to Council Directive 76/769/EEC），禁止在公眾可能與之進(jìn)行皮膚接觸的環(huán)境中使用CCA 型木材防腐劑。。

1.1 建筑石灰

石灰的種類(lèi)非常多，特性差異明顯。根據(jù)硬化機(jī)理，建筑石灰可分為氣硬性石灰（Air Lime）和水硬性石灰（Lime with Hydraulic properties）兩種[2]38。氣硬性石灰又可分為生石灰（主要成分為氧化鈣）和消石灰（主要成分為氫氧化鈣）；水硬性石灰是指在水中能固化的石灰，按照生產(chǎn)流程、原材料來(lái)源及組成可分成天然水硬石灰、調(diào)和石灰和狹義水硬石灰三類(lèi)（表1）。

中國(guó)傳統(tǒng)上曾用蜃炭或石灰防治病蟲(chóng)害。《周禮 · 秋官 · 司寇》載有“以蜃炭攻之，以灰灑毒之……除其貍蟲(chóng)”的做法[3]。五代之前，石灰主要作為墻面抹灰、砌筑填縫和防潮的材料②用于地面的灰土技術(shù)最早的實(shí)例見(jiàn)于陜西岐山縣鳳雛村的西周建筑遺址。《左傳》成公二年（公元前635）記載，東周有用石灰修筑陵墓的做法：“八月宋文公卒，始后葬用蜃灰?！睋?jù)王開(kāi)主編的《陜西古代道路交通史》（人民交通出版社1989 版，第10 頁(yè)）有關(guān)研究，秦漢以后，石灰材料的使用領(lǐng)域擴(kuò)展已至地基、路面。秦咸陽(yáng)宮殿遺址地面為豬血、石灰、料姜石拌合抹成，而秦直道多為石灰、黃土夯筑而成。[4,5]；從公元7 世紀(jì)到13 世紀(jì)現(xiàn)存中國(guó)木結(jié)構(gòu)遺存中看，木柱、梁和斗拱覆蓋的無(wú)機(jī)顏料通常是赭石、礦物黃、白堊和紅赭石等。這些顏料被認(rèn)為有毒，可以驅(qū)蟲(chóng)[6]。自古以來(lái)，石灰常用于預(yù)防農(nóng)林業(yè)病蟲(chóng)害。直至今天，仍大量采用在樹(shù)干底部涂刷石灰的方法預(yù)防樹(shù)木病蟲(chóng)害。最遲到宋元時(shí)期，由于石灰基夯土和砌筑材料需要更高的強(qiáng)度和粘結(jié)性能，在灰漿中加強(qiáng)筋、有機(jī)質(zhì)和骨料的做法已經(jīng)出現(xiàn)并形成一系列穩(wěn)定的配比③宋《營(yíng)造法式》中記載：“凡和沙泥，每白沙二斤，用膠土一斤，麻搗洗擇凈者七兩?！碧拼钛訅鬯侗笔贰分杏洝捌鋱?jiān)可以礪刀斧”；《夢(mèng)溪筆談》稱(chēng)其“緊密如石，斫之，皆火出”；《冊(cè)府元龜》云“基如鐵石，攻鑿不能入”?！端螘?huì)要》記南宋乾道六年（1170）修筑和州城，“其城壁表里各用磚灰五層包砌，糯米粥調(diào)灰鋪砌城面兼樓櫓，委皆雄壯，經(jīng)久堅(jiān)固”。清代徐家乾《洋防說(shuō)略》：“三合土者，五成石灰、三成泥、二成沙，加糯米汁拌勻，以八寸搗至二寸為度，乾堅(jiān)逾鐵，鋼彈可抵?！盵7-10]。明代宋應(yīng)星在《天工開(kāi)物》中記載：“凡石灰，經(jīng)火焚煉為用。成質(zhì)之后，入水永劫不壞。億萬(wàn)舟楫，億萬(wàn)垣墻，窒隙防淫，是必由之。……用以襄墓及貯水池，則灰一分，入河砂、黃土二分，用糯米、羊桃藤汁和勻，輕筑堅(jiān)固，永不隳壞，名曰三合土[11]?！?/p>

石灰可防治白蟻等昆蟲(chóng)有以下原因：①白蟻等昆蟲(chóng)適合在陰暗潮濕的環(huán)境中生存，石灰用于墻面，可使之明亮干燥。②石灰灰漿填補(bǔ)木材的裂縫，降低了白蟻分飛交配時(shí)在木材裂縫中安家的概率。③石灰具有一定的殺菌、殺蟲(chóng)作用。木腐菌最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境PH 值范圍是4.5 ～6.6，木材微生物依靠酶①褐腐菌產(chǎn)生β-1，4-葡萄糖外切酶，白腐菌產(chǎn)生聚糖外切酶和聚糖內(nèi)切酶等。完成分解木材的反應(yīng)[12]。石灰提供了PH 值范圍在11 ～13 的強(qiáng)堿環(huán)境，抑制了木腐菌酶的作用和生長(zhǎng)，并能殺死相當(dāng)一部分的蟲(chóng)卵。④木材涂飾了石灰后，能夠使40%～70%的陽(yáng)光被反射，減少溫差和濕度變化，木材更不易裂開(kāi)。

石灰也曾因防火的作用而風(fēng)靡歐洲。1212 年倫敦大橋火災(zāi)之后，國(guó)王約翰（King John）通過(guò)法令要求泰晤士沿河的商鋪里外用石灰涂刷以防火[2]18。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)也曾采用氣硬性鈣質(zhì)石灰涂刷木屋架，達(dá)到防火、殺蟲(chóng)等效果②德國(guó)木結(jié)構(gòu)保護(hù)專(zhuān)家弗勞（Flohr）曾談到二戰(zhàn)期間石灰在歐洲木構(gòu)防火、防蟲(chóng)等方面的重要作用，詳見(jiàn)Rau. O & Braune. U, Der Altbau: renovieren - restaurieren - modernisieren , DR W-Verlag, 2004, Germany（私人通訊）。。石灰涂飾建筑的做法在英國(guó)南部和東部比較低洼的地區(qū)也頗為常見(jiàn)[13]。

表1 中國(guó)建筑石灰分類(lèi)建議

圖1 江浙地區(qū)歷史建筑采用石灰灰漿粉刷的木構(gòu)件（圖片來(lái)源：陳彥攝影）1a. 溫州永嘉港頭娘娘宮1b. 溫州永嘉方岙駙馬亭1c - 1e. 海寧鹽官海神廟

在國(guó)內(nèi)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，江浙地區(qū)不少木構(gòu)建筑歷史上使用石灰灰漿粉刷木構(gòu)件，如溫州永嘉地區(qū)的港頭娘娘宮、方岙駙馬亭、巖頭文峰祠、下村五房小宗，以及海寧鹽官海神廟等（圖1）。

1.2 桐油

桐油是從油桐樹(shù)種籽（桐籽）中榨取的油脂，是中國(guó)特有的一種傳統(tǒng)油料。桐油的化學(xué)成分是脂肪酸甘油三酯混合物（即十八碳共軛-9,11,13-酸三甘油脂），其主要成分是桐酸甘油酯，含有少量的軟脂酸、硬脂酸、油酸和亞油酸甘油酯等成分[14]。桐油分子聚合密度高、涂膜強(qiáng)度與穩(wěn)定性高，具有吸附性強(qiáng)、耐酸堿、耐水、耐日光等性能，在歷史建筑和文物保護(hù)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。究其根本原因，在于桐油是一種典型的干性油，其主要組成單元桐酸分子中含有三介共軛的雙鍵，這些雙鍵的存在使桐油在空氣中易于氧化并聚合，形成富有彈性的柔韌固態(tài)桐油膜。這層膜能阻斷水分傳輸，抵抗真菌類(lèi)等生物的侵蝕和防霉變。因此當(dāng)桐油被施用于木質(zhì)藝術(shù)品或文物時(shí)，能夠滲入木材內(nèi)部并在其表面形成桐油膜，對(duì)木質(zhì)品起到保護(hù)作用。當(dāng)桐油被用于建筑土料時(shí)，也因桐油膜的形成，或其他一些特殊的配位作用，將土料顆粒包裹并黏結(jié)在一起形成致密的固化結(jié)構(gòu)，對(duì)土料建筑起保護(hù)作用[15]。

在中國(guó)很多地區(qū)，人們用桐油涂抹木盆、雨傘等木質(zhì)、竹質(zhì)生活用品以防腐。在建筑上，桐油主要用作木材的保護(hù)材料、油漆彩繪配料，以及灰漿中添加的耐水性材料。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中采用自然壓榨熟桐油。熟桐油比生桐油所含水分要少，更加粘稠，顏色更深，干燥時(shí)間更短，防腐效果更好。制作方法是將桐樹(shù)種籽自然晾曬后炒熟，然后再壓榨，不添加其他物質(zhì)。純桐油性質(zhì)較為穩(wěn)定，避光可保存10 年以上。

1.3 桐油灰漿

在石灰中添加桐油是先人巧妙的發(fā)明?？脊刨Y料顯示，上海川楊河隋代木船[16]、如皋唐代木船[17]、泉州灣宋代海船[18]等古代船舶均采用桐油石灰抹縫以提高木材的黏結(jié)性和抗?jié)B性。在木構(gòu)建筑方面，熟桐油、石灰混合后可將白蟻的通道封堵，切斷白蟻賴(lài)以生存的吸水線(xiàn)，消除蟻患[19]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)陸續(xù)開(kāi)展了關(guān)于中國(guó)桐油、石灰等復(fù)合材料的研究工作。魏國(guó)鋒等采用掃描電鏡、X 射線(xiàn)衍射、傅里葉變換紅外光譜等技術(shù)手段，探討了桐油灰漿的材料配方和理化性能[20]。結(jié)果顯示，用消石灰和熟桐油制備的桐油灰漿綜合性能最佳，其90 天抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度較普通石灰漿分別提高了72%和245%，吸水系數(shù)為普通石灰漿的1/620，耐凍融循環(huán)等性能也大大改善。桐油灰漿良好的物理性能主要源自桐油固化發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成的致密片層狀結(jié)構(gòu)，以及桐油與氫氧化鈣發(fā)生配位反應(yīng)生成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的羧酸鈣。碳酸鈣在羧酸鈣的包覆和填充下形成了致密的微結(jié)構(gòu)，同時(shí)油脂的憎水性對(duì)增強(qiáng)防水性能有著重要作用。趙鵬等利用超聲、X 射線(xiàn)衍射儀和掃描電子顯微鏡分析了桐油灰漿結(jié)晶過(guò)程，結(jié)果表明，桐油的摻入加快了石灰漿體的早期結(jié)構(gòu)形成，并對(duì)碳化反應(yīng)中碳酸鈣晶體的生長(zhǎng)有明顯調(diào)控作用，形成的晶體尺度更小，結(jié)構(gòu)更加致密[21]。方世強(qiáng)等對(duì)桐油石灰砂漿的組成、性能和桐油石灰砂漿作用機(jī)制等進(jìn)行了研究，結(jié)果證實(shí)，在桐油灰漿中氫氧化鈣與桐油及二氧化碳反應(yīng)生成羧酸鈣和碳酸鈣[22]。桐油灰漿的良好性能來(lái)源于鈣離子的配位結(jié)合，以及桐油分子中不飽和雙鍵的氧化聚合等反應(yīng)所形成的致密結(jié)構(gòu)（圖2）。因此，用桐油與消石灰制備的砂漿比普通石灰砂漿具有更好的力學(xué)性能、耐水性和耐候性。

但遺憾的是關(guān)于桐油-石灰復(fù)合材料配比的科學(xué)化研究較少（表2），配比實(shí)踐大都依照匠師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。為了揭示傳統(tǒng)工藝中蘊(yùn)含的科學(xué)機(jī)理，本研究選取石灰、熟桐油為基本材料，對(duì)這兩種材料的不同配比、性能及其對(duì)木構(gòu)件的保護(hù)效果進(jìn)行研究和探討。

圖2 幾種不同混劑的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖（圖片來(lái)源：方世強(qiáng)等攝影）2a. 桐油；2b. 桐油+碳酸鈣；2c. 碳酸鈣；2d. 桐油+碳酸鈣

表2 桐油-灰復(fù)合材料的力學(xué)研究成果舉例

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用石灰有四類(lèi)。A 類(lèi)為傳統(tǒng)消石灰（含水硬性組分），B 類(lèi)為工業(yè)級(jí)消石灰（純度≥90%的氣硬性石灰），C 類(lèi)為Zemet und Kalkwerke Otterbein Gnb H & co .kg 公司生產(chǎn)的天然水硬性石灰NHL5（強(qiáng)度較高的天然水硬性石灰），D 類(lèi)為純度更高（≥95%）的食品級(jí)消石灰①如非特別標(biāo)注本實(shí)驗(yàn)所有石灰均采購(gòu)自浙江德賽堡建筑材料科技有限公司。。四類(lèi)石灰均勻無(wú)顆粒，可以直接使用，不需過(guò)篩，但石灰固化特征有別：A 類(lèi)為弱-中等水硬性石灰，可在水中固化；B 類(lèi)為氣硬性石灰，只有長(zhǎng)期與空氣接觸才能固化；C 類(lèi)為強(qiáng)水硬性石灰，在水中固化速度比A 類(lèi)快。在桐油石灰成膜實(shí)驗(yàn)中使用D 類(lèi)石灰與B類(lèi)石灰進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)所采用的桐油為安山桐油廠(chǎng)生產(chǎn)的熟桐油，木材為浙江本地出產(chǎn)的速生材杉木。杉木屬于低密度木材樹(shù)種，吸水性和吸濕性強(qiáng)。在表面涂劑的防水實(shí)驗(yàn)中，還采用了浙江德賽堡建筑材料科技有限公司代理的德國(guó)產(chǎn)水性漆、陜西龍頭國(guó)漆文化產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)的大漆等材料。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

主要實(shí)驗(yàn)儀器有萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)yc-121、砂漿攪拌機(jī)、振動(dòng)臺(tái)、電子秤（精確度0.01 g）、烘箱、水槽等。實(shí)驗(yàn)室溫度為20±3℃，相對(duì)濕度為80%。

2.2.1 桐油、石灰試塊抗壓、抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

在溫度為20±3 ℃、 相對(duì)濕度為60% ～80% 的實(shí)驗(yàn)室中，將A、B、C 三種不同類(lèi)型的石灰與水和桐油按照不同的質(zhì)量比混合（具體配比參見(jiàn)表3），用砂漿攪拌機(jī)攪拌均勻后，置于涂刷過(guò)脫模劑的試模中，在振動(dòng)臺(tái)上振蕩成型。而后在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)28 天的養(yǎng)護(hù)。具體試塊制備方法參見(jiàn)《JGJ/T70-2009 建筑砂漿基本性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[24]。

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行抗壓、抗折實(shí)驗(yàn)。以21 組試件測(cè)值的算術(shù)平均值計(jì)為該組試件的抗壓、抗折強(qiáng)度平均值，精確至0.01 MPa。

2.2.2 桐油、石灰試塊的吸水率實(shí)驗(yàn)

按規(guī)定成型及養(yǎng)護(hù)試件后第28 天取出試件，在78± 3℃溫度下烘干48±0.5 小時(shí)，稱(chēng)其質(zhì)量。然后將試件成型面朝下放入水槽中，浸于裝有不銹鋼支架和水的托盤(pán)中，試件浸入水中的高度為35 mm。不銹鋼支架可以保證試塊底面與水的充分接觸，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每2 小時(shí)檢查一次水的液面高度，及時(shí)補(bǔ)水。并在水槽要求的水面高度處開(kāi)溢水孔，以保持水面恒定。水槽應(yīng)加蓋，放入溫度20±3℃、相對(duì)濕度80%以上的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室，注意試件表面不得有結(jié)露或水滴，然后在24 h 和48 h 時(shí)取出，用擰干的濕布擦去表面水后稱(chēng)其質(zhì)量。試塊吸水率按下式計(jì)算：

Wt=(m1-m0)/m0

式中Wt 為試塊吸水率（%），m1為吸水后試件質(zhì)量（g），m0為干燥試件的質(zhì)量（g）。取 3 塊試件的平均值，精確至0.01%。

2.2.3 桐油、石灰等表與防護(hù)涂劑的防水實(shí)驗(yàn)

鑒于前期實(shí)驗(yàn)中消石灰與熟桐油混合后良好的防水效果，以及此種做法在江浙地區(qū)的使用，我們采用了食品級(jí)消石灰與熟桐油、大漆等傳統(tǒng)木材防護(hù)材料，以及在歐洲地區(qū)應(yīng)用廣泛的德國(guó)產(chǎn)水性漆等涂劑，作用于木材橫斷面，持續(xù)觀(guān)測(cè)木材吸水率的變化。其中A-E 組均采用食品級(jí)消石灰與熟桐油；F 組為德國(guó)產(chǎn)水性漆；GH 組采用大漆（及石灰）；O 組為對(duì)照組，用杉木原木。

將直徑為250 mm 的杉木木柱均勻鋸成高度為300 mm 的木墩，測(cè)試其含水率及重量。將涂劑按照不同的配比（表3）涂刷于木墩的底面及底面以上30 mm 高度內(nèi)的外表面。按縱橫兩個(gè)方向各涂刷一遍，以在木材表面形成完整均勻的涂膜。于實(shí)驗(yàn)室干燥2 周后，再次測(cè)試其含水率與重量，然后將木墩涂有涂劑的一端浸于裝有不銹鋼支架和紅色墨水的托盤(pán)中。不銹鋼支架可以保證木墩底面與墨水的充分接觸，過(guò)程中每2 小時(shí)檢查一次墨水的液面高度，及時(shí)補(bǔ)充墨水，以保證墨水沒(méi)過(guò)木材端面的高度為10 mm（圖3）。每4 小時(shí)稱(chēng)量一次木墩的重量，持續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程96 小時(shí)。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

3.1 桐油、石灰試塊強(qiáng)度

表4 中A 組試塊采用傳統(tǒng)消石灰（弱-中等水硬性石灰）；B 組試塊采用工業(yè)級(jí)消石灰（氣硬性石灰）；C 組試塊采用天然強(qiáng)水硬性石灰NHL5。每組配比石灰用量均為1 000 g。型號(hào)命名方式為“石灰類(lèi)型+水量（g）+ 桐油用量（ml）”的方式，如A-500-000 即A 組傳統(tǒng)消石灰1 000 g 加500 g 的水和0 ml 的熟桐油。

根據(jù)桐油、石灰試塊的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果（圖4）來(lái)看，水的添加量對(duì)試塊強(qiáng)度有較大影響，適當(dāng)減少水的用量，可以增強(qiáng)試塊的強(qiáng)度。對(duì)于含有水硬性組分的A 組石灰，將石灰與水的質(zhì)量比控制在2 ∶1 之內(nèi)，有助于提高試塊的抗壓強(qiáng)度，桐油的添加對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響不大。對(duì)于使用工業(yè)級(jí)消石灰的B 組試塊，桐油和水的配比對(duì)試塊的抗壓強(qiáng)度有較大影響，當(dāng)氫氧化鈣與水的質(zhì)量比為2 ∶1，且水與桐油的體積比為500 ∶275 時(shí)，試塊抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到最高，分別為4.26 和0.57 Mpa，增加和減少桐油的比重，抗壓和抗折強(qiáng)度均下降。以B-500-275 試塊為例，增加桐油后，抗壓強(qiáng)度為未添加桐油試塊的5.6 倍，抗折強(qiáng)度達(dá)到未添加桐油試塊的2 倍。對(duì)于C 組天然強(qiáng)水硬性石灰NHL5，添加桐油后呈豆腐渣狀，試件難以成型，比未添加桐油試件的抗壓強(qiáng)度大幅下降，因此，初步判斷天然強(qiáng)水硬性石灰NHL5不宜與桐油混合使用（圖5）。

A、B、C 三組試塊養(yǎng)護(hù)28 天后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，然后再用酚酞試劑噴灑在試塊的斷面上觀(guān)看試塊有無(wú)變成紫紅色。若試塊斷面變成紫紅色，證明試塊中仍有未完全反應(yīng)的氫氧化鈣；若試塊不變色，則證明試塊中的氫氧化鈣已完全參加反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，添加桐油的試塊整體呈灰黃色，噴灑酚酞試劑后，并未變紫紅色——28 天內(nèi)氫氧化鈣完全反應(yīng)；而未添加桐油的試塊整體呈白色，噴灑酚酞試劑后，斷面中部變紫紅色——只有試塊外表面3 mm 深度內(nèi)的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，內(nèi)部氫氧化鈣仍未完全發(fā)生碳化反應(yīng)（圖6）?？梢?jiàn)，桐油極大地加快了氫氧化鈣的反應(yīng)速率，使石灰試塊較快具有一定的強(qiáng)度和防水能力。

表3 木材表面防護(hù)涂劑的型號(hào)及成分說(shuō)明表

圖3 木材表面防護(hù)涂劑實(shí)驗(yàn)（圖片來(lái)源：陳彥攝影）

3.2 桐油石灰試塊的吸水率

將養(yǎng)護(hù)28 天后的桐油石灰試塊沉沒(méi)于水中，保證每種配比的試塊數(shù)量為3 件以上。試塊沉沒(méi)深度為35 mm。記錄并計(jì)算其在24 h 和48 h 時(shí)的平均吸水率（表4）。

從石灰桐油試塊48 h內(nèi)吸水結(jié)果來(lái)看，桐油的添加量對(duì)試塊吸水能力有很大影響。添加了桐油的石灰灰漿與普通石灰灰漿相比，擁有更好的防水防潮性能（圖7）。

添加桐油的A 組試塊的48 h 內(nèi)吸水率均在5.53% 之內(nèi)。其中A-600-175 試塊的吸水率最低，為1.41%。對(duì)于A(yíng) 組傳統(tǒng)消石灰而言，添加少量桐油，可以明顯降低試塊的吸水率。

添加桐油的B 組試塊的48 h 內(nèi)平均吸水率均低于3.49%。其中B-500-275 試塊，48 h 平均吸水率僅為1.8%，為未添加桐油試塊的5.19%，防水性能得到了大幅提升。對(duì)于B 組氣硬性石灰而言，適當(dāng)增加桐油的用量，可以大幅降低其試塊的吸水率。

綜上，桐油石灰灰漿試塊和普通石灰灰漿試塊相比，防水防潮性能顯著提高。

3.3 桐油、石灰等防護(hù)涂劑的防水、防腐效果

從涂飾防護(hù)涂劑后的木材吸水變化趨勢(shì)（圖8）來(lái)看，未經(jīng)任何處理的杉木（O組）其吸水率最高，5 天之內(nèi)的吸水率可達(dá)到38%。其次是水性漆（F 組），其吸水率可高達(dá)31% ～41%。大漆組（G 組、H組）的防水效果優(yōu)于水性漆組，基本控制在5%～13%之間。桐油石灰（A、B、C、D、E 組）的防水效果最佳，使得木材5 天之內(nèi)的吸水率基本控制在0.5%～1.4%之間。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，A-E 組不同配比的桐油石灰涂劑防水效果差異不大。

圖4 石灰桐油試塊抗壓、抗折強(qiáng)度圖（圖片來(lái)源：陳彥制作）

圖5 天然強(qiáng)水硬性石灰NHL5 添加桐油前后對(duì)比（圖片來(lái)源：陳彥攝影）5a. 未添加桐油；5b. 添加桐油后

圖6 桐油加快氫氧化鈣碳化反應(yīng)（圖片來(lái)源：同圖5 ）6a. 添加桐油的試塊；6b. 未添加桐油的試塊

表4 桐油石灰試塊吸水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 石灰桐油試塊吸水率對(duì)比圖（圖片來(lái)源：同圖4 ）

除了可以降低木材的吸水率之外，桐油石灰對(duì)木材的保護(hù)作用還表現(xiàn)在它的弱堿性上。木腐菌生長(zhǎng)最適宜PH 值范圍是4.5 ～6.6。盡管添加了桐油的石灰反應(yīng)生成碳酸鈣和羧酸鈣的速度加快，但未完全反應(yīng)的混合物PH 值卻在8 以上，可以在一定程度上抑制了木腐菌的生長(zhǎng)，起到了防腐防蟲(chóng)的作用。

另外，石灰的純度以及桐油、石灰的配比對(duì)成膜厚度和表觀(guān)特征影響較大。在桐油、石灰配比相同的情況下（20 ml ∶10 g），食品級(jí)①本實(shí)驗(yàn)所采用的食品級(jí)消石灰，純度高，氫氧化鈣含量（wt%）≥95.0%， 細(xì)度≤0.038 mm， 鉛、 鎘、 汞等有害金屬含量能控制在2 ppm 以?xún)?nèi)，呈強(qiáng)堿性，pH 值12.4。工業(yè)級(jí)消石灰中氫氧化鈣含量（wt%）≥90%，細(xì)度≤0.125 mm。消石灰與桐油制成的涂劑成膜后表面光滑平整，成膜效果明顯優(yōu)于工業(yè)級(jí)消石灰（圖9）。建議在實(shí)際使用過(guò)程中，根據(jù)木材表面的情況選擇合適的配比。例如，木材表面光滑，可調(diào)制低稠度的桐油石灰涂劑；若木材表面有裂縫或比較粗糙，應(yīng)適當(dāng)加大石灰的比例，增加稠度，使其能填補(bǔ)縫隙。

大漆在使用過(guò)程中揮發(fā)的漆酚具有毒性，可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)人員嚴(yán)重過(guò)敏。鑒于以上幾種木材防護(hù)涂劑的防水效果及其安全性，本文特別推薦使用食品級(jí)消石灰與熟桐油制成的灰漿涂劑來(lái)整體保護(hù)木材表面。

4 運(yùn)用和展望

本文通過(guò)對(duì)不同地區(qū)木構(gòu)歷史建筑的調(diào)研、勘察和實(shí)驗(yàn)研究分析，證實(shí)了熟桐油用量及石灰品種等對(duì)桐油、石灰試塊的防水性能及力學(xué)性能的影響；桐油適合添加到氣硬性石灰、弱-中等強(qiáng)度水硬性石灰中，而不適合添加到強(qiáng)水硬性石灰（如NHL5）中，原因尚需進(jìn)一步研究。中國(guó)古代使用的石灰大多數(shù)為氣硬性石灰或弱水硬性石灰，以桐油、石灰等涂劑涂飾木構(gòu)件表面或用作填劑對(duì)木構(gòu)件裂縫處進(jìn)行填補(bǔ)能起到長(zhǎng)期保護(hù)作用?，F(xiàn)場(chǎng)勘察和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)于桐油、石灰應(yīng)用于木構(gòu)件特別是歷史建筑木構(gòu)件的保護(hù)具有重要的指導(dǎo)借鑒意義。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)今遺存的歷史建筑中，鄉(xiāng)土建筑數(shù)量巨大，且保護(hù)等級(jí)不高；以溫州地區(qū)為例，絕大部分歷史建筑的木材表面未涂飾防護(hù)性材料或做防蟲(chóng)防腐處理。裸露斷面的木構(gòu)件（如椽子）及冷凝水聚集的木柱根部極易發(fā)生腐朽；而木材干燥引起的裂縫在未經(jīng)及時(shí)修繕時(shí)也極易成為白蟻侵襲的入口。這些現(xiàn)狀應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)部門(mén)和人員的重視。木柱、椽子、斗栱等的橫斷面采用蠟、灰泥等材料封堵，不僅防蟲(chóng)防腐而且可降低木材纖維吸水率。這類(lèi)預(yù)防性的保護(hù)理念和措施應(yīng)予以提倡和推廣，將利用防護(hù)材料保護(hù)木構(gòu)件、延長(zhǎng)歷史建筑壽命的做法轉(zhuǎn)變成有意識(shí)的保護(hù)行為。

從預(yù)防性保護(hù)的角度來(lái)看，在木材表面涂飾低稠度的桐油石灰灰漿，可以對(duì)木構(gòu)表面起到整體的防水、防腐作用（圖10）。我們建議對(duì)木材斷面等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。木材橫斷面易吸水，一般會(huì)先于木構(gòu)其他部分腐朽，這類(lèi)節(jié)點(diǎn)可以采用中等稠度的桐油石灰灰漿予以重點(diǎn)防腐處理[25]。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了石灰桐油試塊的抗壓強(qiáng)度略低于杉木（11 Mpa 左右），試塊的抗折強(qiáng)度明顯低于杉木（8 Mpa 左右）[26]。因此，在豎向受壓木構(gòu)件，如木柱的空洞和裂縫處，可充分借鑒民間傳統(tǒng)修繕工藝，采用石灰灰（砂）漿予以填補(bǔ)，既有加固木結(jié)構(gòu)的作用，又可起到防腐、防蟲(chóng)的效果。另外，石灰砂漿具有透氣性和可逆性，優(yōu)于以往采取環(huán)氧樹(shù)脂填補(bǔ)或更換木材的修繕?lè)绞健－h(huán)氧樹(shù)脂填補(bǔ)木材空洞后不可逆，且樹(shù)脂不透氣不透水，木材中的潮氣難以逸出，在樹(shù)脂與木材交接處易發(fā)生腐朽。更換木材則會(huì)不可避免地造成原歷史建筑材料及歷史價(jià)值的損失。浙南工匠采用桐油石灰填補(bǔ)木柱或船只空洞及縫隙的長(zhǎng)期實(shí)踐，證實(shí)了桐油石灰可對(duì)木材起到長(zhǎng)期保護(hù)作用（圖11），這種做法值得提倡和發(fā)揚(yáng)。

在接下來(lái)的研究中，我們將進(jìn)一步優(yōu)化配方，將更多種類(lèi)的石灰納入實(shí)驗(yàn)范圍，以深入研究石灰桐油保護(hù)層的防水、防腐、防蟲(chóng)效果。

圖8 防護(hù)涂劑涂飾后的木材試塊吸水變化趨勢(shì)（圖片來(lái)源：陳彥制作）

圖9 石灰純度影響石灰桐油成膜效果（圖片來(lái)源：陳彥攝影）9a. 采用食品級(jí)消石灰；9b. 采用工業(yè)級(jí)消石灰

圖10 木材節(jié)點(diǎn)保護(hù)示意圖（圖片來(lái)源：陳彥繪制）

圖11 桐油石灰在溫州永嘉地區(qū)木構(gòu)修繕中的使用（圖片來(lái)源：同圖9 ）11a. 永嘉工匠采用桐油石灰灰漿修補(bǔ)蚱蜢舟；11b. 工匠現(xiàn)場(chǎng)制備桐油石灰灰漿；11c-11d. 桐油石灰灰漿用于修繕木柱