土遗址的建造工艺及结构——大地湾仰韶时期房屋地面材料及其工艺

　　甘肃秦安大地湾遗址是一处规模宏大、内涵极其丰富的新石器时代的遗址。甘肃省考古所经过6年的发掘，清理出房屋遗址240余座。其中两座编号分别为F901和F405的房屋，建筑工艺十分高超，规模也很大，仅室内居住面积就达百余平方米。特别是在建造地面时，大量应用了人造陶粒轻骨料和以这种骨料为集料、料礓石烧制的水泥为胶结材料的轻混凝土。这无疑是建筑史上的奇迹(图11-8、11-9)。
　　(一)F901、F405地面的结构
　　分四层(图11-10)
　　第1层：约2～3mm厚的原浆磨面。这是混凝土凝固后，用光滑的石块之类工具磨制的，不另加饰面。其光洁度并不亚于现代的加浆饰面地坪。
　　第2层：约20cm厚的以人造陶粒为集料，料礓石烧制的水泥为胶结材料的混凝土。骨料约占混凝土的64%(以重量计)。
　　第3层：约15cm厚的红烧土。
　　第4层：约10cm厚的夯土。
　　F405地面也分四层
　　第1层：约2cm厚的加浆饰面，光洁度较F901差。
　　第2层：约15cm厚的以人造黏土陶粒为集料，料礓石烧制的水泥为胶结材料的混凝土。骨料约占混凝土的66%(以重量计)。
　　第3层：约7cm厚的红烧土。
　　第4层：约8cm厚的夯土。
　　(二)人造陶粒及烧制料礓石水泥的分析、测试
　　1.轻混凝土的物理力学性质
　　人造陶粒和以人造陶粒为集料，烧料礓石水泥为胶结材料的轻混凝土的物理、力学性能。
　　(1)容重、孔隙率
　　将秦安大地湾F901和F405地面中的人造陶粒轻骨料和轻混凝土的容重、孔隙率与石灰石、料礓石、现代人造黏土陶粒、现代轻混凝土的容重、孔隙率列表进行比较(表11-1)。
　　(2)力学性能试验
　　F405房址已开掘出4年之久，由于风吹雨淋，特别是冻融作用，地面风化破碎严重。因此，可适当取样，并依试样大小锯割成4cm×4cm×4cm和3cm×3cm×3cm的规整试块，做抗压强度检测。同时对保存完好的地面用回弹仪进行非破损性的强度检测，并和规整试块所测的强度进行比较。
　　F901开挖后及时采取了保护措施，因此，地面保存非常完好。这样的地面仅能用回弹仪进行非破损性的强度检测。由于古遗址地面的材料与今天做地面所用的混凝土和砂浆材料不完全相同，因此，仅用回弹仪无法确定古遗址地面的强度。我们先把F405地面碎块锯割成规整试块所测的抗压强度与其完好地面所测的回弹值做比较，再和F901地面所测的回弹值进行比较，从而确定F901地面的抗压强度。
　　F405地面，用锯割成4cm×4cm×4cm和3cm×3cm×3cm的规整试块所测得的平均抗压强度为11.0MPa。F405地面，完好部分选1处做回弹检测，测点20个，测得的平均回弹值为11.33。F901共选15处做回弹检测，测点300个，测得的平均回弹值为12.41。
　　强度系数C=F901地面回弹平均值/F405地面回弹平均值=12.41/11.33=1.1
　　F901平均抗压强度R901=C×R405=1.1×11.05MPa=12.16MPa
　　现代混凝土物理、力学性能测试规范中，抗压试块成型为10cm×10cm×10cm的标准试块。由于古遗址地面试样尺寸所限，只能因材制宜，可以锯割成较小尺寸的规整试块测抗压强度。小尺寸的试块对强度的影响程度究竟多大，目前还无法确定。为此，要十分准确地折合成标准试块的强度还较困难。但从测试结果来看，我们初步认为F901和F405地面强度与目前100号砂浆的地面强度相近。以人造陶粒轻骨料为集料、烧料礓石水泥为胶结材料的大地湾F901和F405地面，经历了5000年的漫长岁月，受到自然界中各种侵蚀作用的破坏，现在的抗压强度还和100号砂浆地面强度相近，这就可以想象这种地面当时的强度。
　　过去在陕西宝鸡的斗鸡台、安阳的后岗、山西夏县东下冯等遗址中发现过被称做白灰面的地面。有人认为是烧石灰做的，也有人认为是粉碎的生料礓石加水拌和成浆做的。而秦安大地湾F901和F405的地面完全不属上述地面类型，而是应用人造陶粒做轻骨料，同时也应用烧料礓石水泥做胶结材料。为了说明这个问题，我们将生料礓石、800～900℃煅烧料礓石、生石灰分别粉碎，过80目筛，以0.6：1的水灰比，做成浆液，在4cm×4cm×16cm铁模中成型，做抗折、抗压强度对比。300d龄期的抗折、抗压强度如表11-2。
　　三种材料成型后，抗折、抗压强度差别非常大。生料礓石粉与水拌和时，和易性极差，半小时后产生离析，试块干后收缩约三分之一。因此，生料礓石不可能做地面的建造材料。纯生石灰料与水拌和时，大量放热，浆液温度在几分钟内可达到70℃。试块干后龟裂，收缩约六分之一。烧料礓石粉与水拌和时，和易性好，水硬性较强，硬化快。试块干后基本不收缩、也不龟裂，且有较高的抗折、抗压强度。以上结果说明，秦安大地湾F901和F405的地面既不是用生料礓石做胶结材料，也不是用单一的烧石灰做胶结材料，而是用近似现代水泥的煅烧料礓石胶结材料。
　　2.偏光显微镜岩相鉴定
　　对F901和F405地面中的人造陶粒、F405地面中的胶结材料在偏光显微镜下做岩相鉴定，并拍照片(图11-11、图11-12)。同时和料礓石、红黏土的偏光显微镜岩相照片做对比分析。
　　人造陶粒：主要成分是方解石，微料状集合体，粒度从隐粒状到0.007mm，结晶粒度相仿的有集聚现象，孔隙度大。
　　F405地面胶结材料：主要为方解石，有少量氧化铁。大致呈椭圆形，大小不等。碎屑物主要为石英，粒度为0.014～0.035mm。少量长石、云母。矿物发育较料礓石差。
　　料礓石：主要成分是方解石，料度0.005mm左右。碎屑物主要成分是石英，粒度在0.035mm左右，有少量黑云母、白云母、氧化铁。
　　3.X射线衍射分析
　　X射线衍射分析是鉴定矿物成分的非常重要的手段。对F901和F405地面中的人造陶粒、F405地面的胶结材料和料礓石分别在X射线衍射仪上做衍射图谱(图11-13、图11-14、图11-15)。
　　F901、F405人造陶粒：主要成分为方解石，石英少量。
　　F405地面胶结材料：主要成分为方解石，少量石英，微量长石、闪石。另外还有少量水化硅酸钙(CHS)。
　　料礓石：主要成分为方解石，少量石英，微量绿泥石、伊利石。
　　水化硅酸钙含量低，并且结晶程度差，在衍射图谱上不明显。
　　4.扫描电镜分析
　　扫描电镜可观察矿物的结构外形。对F901和F405地面中的人造陶料、F405地面的胶结材料做扫描电镜观察并拍照片(图11-16、图11-17、图11-18)，并且和大地湾出产的料礓石、红黏土、普通方解石的电镜照片做对比分析。
　　F901和F405地面中的人造陶粒矿物发育差，看不出水化矿物成分。这可能是陶粒在煅烧窑中取出后在空气中缓慢冷却所造成的。
　　F405地面胶结材料矿物发育较完全，有明显的水化硅酸锂(CSH)结晶生成。同时也有微量树枝状的水化铝酸三钙(C3AH)生成。
　　5.碳-14测定
　　以前，有人认为新石器时代人类居住屋的白灰地面是生料礓石粉用水拌和为泥浆做成的。生料礓石粉和易性差，很快离析，无水化反应，凝结块强度极低，根本不可能做为建造地面的材料。中国社会科学院考古研究所的仇士华同志曾对山西夏县东下冯龙山文化等遗址中的白灰地面做过碳-14分析，认为这种白灰地面是烧石灰做成的。秦安大地湾仰韶文化遗址的F901和F405地面建造材料是否也是当时烧制过的?也就是说当时是否用熟料建造地面?仅有以上的分析、测试还不能完全说明问题。我们请中国科学院兰州冰川冻土研究所对秦安大地湾F901和F405地面中的人造陶粒、F405地面的胶结材料及秦安大地湾出产的料礓石分别做碳-14测定分析。同时，和用木炭标本测定的结果做对比(表11-3)。
　　从上述的化学全分析，偏光显微镜岩相鉴定和X射线衍射分析可知，F901和F405地面中的人造陶粒及F405地面胶结材料含有大量碳酸钙。又从碳-14测定可知，这些材料是烧制料礓石做成的。因为料礓石中的主要成分碳酸钙，经烧制后生成生石灰——氧化钙：
　　生石灰加水后变成熟石灰——氢氧化钙：
　　CaO+H2O—→Ca(OH)2+Q[放热]
　　氢氧化钙抹在地面上后，吸收空气中的二氧化碳，碳化后又生成方解石——碳酸钙：
　　Ca(OH)2+CO2—→CaCO3+H2O
　　因为烧制的石灰所吸收的是含有放射性14C的空气中的二氧化碳，含量虽低，但可以测定。而且这种烧制的石灰，从用于建造地面就开始吸收空气中的二氧化碳。因此用含有碳酸钙的地面建筑材料做碳-14标本能测定出和遗址相当的年代。大地湾F901和F405地面中的人造黏土陶粒与F405地面胶结材料做碳-14标本所测得的年代较木炭做标本所测得的年代偏高。因为，在新石器时代，烧制石灰或料礓石是在陶窑一类的窑中用木柴烧制的，温度最高只不过是八九百度。这种温度下碳酸钙分解不完全。另外，料礓石用块状先烧，后粉碎使用。块内不可能烧透。也就是说，在这些烧制的材料中还含一定量的不含有放射性的古老碳酸盐，这种碳一般称作“死碳”。由于“死碳”无法与样品分离，也无法测定在样品中所占的比例。因此，在分析测定中，这些“死碳”肯定要稀释碳-14的浓度，使F901和F405地面中的人造陶粒和F405地面胶结材料所测的绝对年代，较木炭标本所测的绝对年代偏高，这是符合实际情况的。料礓石未测定出年代，因为天然石灰岩的形成非常古老，其中不含有放射性14C元素，即使在形成的当初含有过，也早衰变尽了。因此在碳-14测定范围内测不出它的年代。这样，用大地湾F901、F405地面中的人造陶粒和F405地面的胶结材料做碳-14测定，不但可以断定这些地面建筑在当时是以料礓石为主要原料烧制而成的，也可以粗略地判断遗址的年代。
　　(三)F405、F901地面材料模拟实验
　　甘肃秦安大地湾F405、F901地面胶凝材料和骨料的出现并不是偶然的考古发现，这种建筑材料在大地湾仰韶晚期的房屋地面中，已经有相当规模的应用，其工艺已经达到很高的水平。在1978～1983年的6年中，甘肃省考古研究所在秦安大地湾做了大规模的考古发掘工作，其中清理房屋遗址就达240余座。从这些房屋遗址中可以明显看出，自仰韶文化早期到晚期，建筑房屋地面的材料及工艺，是逐渐由低级到高级发展起来的。
　　大地湾仰韶早期的房屋地面只用夯土筑成。到了中期，房屋居住面的下层先用夯土筑成，再铺一层保温和防潮性较好的红烧土，最上层铺一层坚硬光滑的烧石灰胶凝材料。到了仰韶晚期，在居住房屋地面中，大量使用保温和防寒性非常好的烧料礓石人造轻骨料，并以烧料礓石粉掺和适量红黏土为胶凝材料，做出了可与现代混凝土媲美的古代混凝土。这种高超的建筑材料的产生和使用，显然是和新石器时代高度发展的烧陶技术并列发展起来的。
　　就大地湾出土的F1陶盆(图11-19)为例，出土时被压碎成60多片，我们在修复中发现为橙黄色泥质灰陶，陶质非常坚硬。根据过去学者们的研究，这种彩陶的烧制温度在950～1050℃。其陶胎厚薄十分均匀，复原成型后，口径为52cm，周围非常准确，这就可以看出，仰韶晚期，烧陶技术已经发展到了多么高的水平。因此，这一时期产生高超的建筑材料，并不使人感到偶然。
　　甘肃省考古研究所在6年的发掘中，发掘窑址38个，均为横穴窑。陶窑虽然体积不大，但结构合理，火道分布科学，窑室呈圆形或椭圆形。火道分几路通入窑室，火膛上口低于窑室底部(图11-20)。在大地湾没有发现专门的烧料礓石的窑，我们认为烧料礓石也是在这种烧制彩陶的窑室烧制的。在F901房址上还发掘出一个粉碎材料用的大石臼窝。
　　但这种材料可否称之为水泥，应该解决两个关键问题。首先，这种地面材料是否是人工烧制的，其次是这种材料是否具有现代水泥的特性和含有水泥的主要成分，为此进行了以下的模拟实验。
　　测试、分析
　　首先我们要弄清水泥的概念。水泥是一种胶凝材料。我们现代所说的胶凝材料一般可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料。无机胶凝材料一般又可分为水硬性胶凝材料和非水硬性胶凝材料两大类。非水硬性胶凝材料只能在空气中硬化，而不能在水中硬化，通常又将这类材料称气硬性胶凝材料，如石灰、石膏等。水硬性胶凝材料即能在空气中硬化，又能在水中硬化，这类材料通常叫做水泥，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥等。因此，石灰和水泥是两种具有不同特性的无机胶凝材料。F405、F901地面的胶凝材料是属于石灰，还是属于水泥呢?从化学分析看，F405地面胶凝材料的化学成分与料礓石的化学成分基本相同(图11-21、图11-22)，仅仅是前者所含的S1O2和Al2O3较后者稍高(表11-4)。我们认为这是为了增加材料的胶黏性，在使用时加入少量红黏土的原因。从这个分析中我们认为F405地面的胶凝材料是料礓石经烧制后先粉碎，然后掺加少量红黏土，以胶结烧料礓石骨料制做房屋地面。为此，我们做了这样的模拟试验，将大地湾的料礓石在管式炉中，温度控制在900℃以下，烧72h(现在，秦安农村土法烧石灰一般为3d)后做水化反应试验。这种条件下烧制的料礓石块已在水中完全失去消化性。将这种烧料礓石粉碎，加水做成浆体，胶凝体的凝聚过程具有非常明显的水硬性。烧料礓石骨料等材料体积质量及孔隙率见表11-5。
　　石灰石中往往含有一定量的黏土等杂质。黏土中的酸性氧化物(如SiO2、Al2O3等)会与石灰石煅烧时分解所产生的碱性氧化物——CaO发生固相反应生成水泥的一种主要成分——β型硅酸二钙(β-C2S)等。烧石灰时，随着石灰石中黏土含量的增加，烧成的生石灰和水进行化学反应生成熟石灰的能力逐渐变弱。如果石灰石黏土等杂质的含量超过大约8%后，由于所生成的生石灰中β-C2S的成分增多，会使生石灰的性质产生猝然变化，即这种生石灰由气硬性转向水硬性，明显具有水泥的性质。烧料礓石的过程和上述情况非常相似。料礓石是黄土层中的沉积碳酸钙，外形像食用生姜，因此，俗称料礓石。其中含有约30%的黏土，可以说是一种天然的水泥配料。因此料礓石煅烧后，明显地具有水泥的水硬性特征。
　　日本著名水泥专家铃木一孝教授认为人类首先开始使用气硬性的胶凝材料——生石灰，但在烧制石灰的过程中，由于无意之中采用了纯度较低的石灰石，也就是说含有黏土杂质的石灰石，使得烧成的生石灰由气硬性转向水硬性。这个过程也就是水泥的发明和使用过程。古罗马人和希腊人首先开始使用天然火山灰水泥，但在有些地方找不到天然火山灰时，由于偶然采用了含黏土的石灰石烧制以代替火山灰，这样逐渐发现了水泥的制造方法。一直到19世纪初，才发明了勃兰特水泥。因此，人类从使用气硬性胶凝材料到水硬性胶凝材料的考古发现中，也充分证实了这一论点的正确性。
　　F405地面胶凝材料中是否含有水泥的一些主要成分β-C2S?过去所做的扫描电镜照片中，虽然出现了一些树枝状的类似水泥石的一种主要成分——水化硅酸二钙的结晶，但在X射线衍射分析中，始终没有找到水化硅酸二钙的衍射峰，而主要是方解石。
　　对于这个问题，我们请教了东京工业大学的著名水泥专家大门正机教授。他认为F405地面在建成的当初也可以存在水化硅酸二钙(Protlandite)，为什么在历时5000年后在X射线衍射分析中找不到这种成分呢?因为在新石器时代，烧料礓石是在陶窑中用木柴一类燃料烧制的，窑温只不过900℃左右。在这种条件下生成的水泥熟料——β型硅酸二钙(β-C2S)的量是有限的。在建造房屋的当初，β-C2S经水化，也可能形成一些水泥石——水化硅酸二钙，但经历5000年后，水化硅酸二钙分解，最终又生成了碳酸钙(即方解石)。在仰韶时期由于烧陶的窑温较低，很大一部分料礓石不会形成水泥熟料，而生成生石灰。建造房屋地面后，生石灰消化为熟石灰[Ca(OH)2]，长期吸收空气中的二氧化碳，碳化成为碳酸钙。另外，建造地面后所形成的一部分熟石灰和掺加的黏土作用生成胶结性很好的非晶质的水化硅酸钙(C1.5SH)，其胶结体具有较高的力学强度，这是使房屋地面具有较高强度的一种主要成分。但是，(C1.5SH)也容易分解生成碳酸钙。(C1.5SH)和C2SH的分解与房屋地面所处的环境有很大关系，如果所处的环境潮湿，能充分接触二氧化碳，分解速度则大大增快。大地湾属于湿温带气候，而F405和F901房址又是埋在离耕地面很浅的山坡地下，雨水和耕种施肥的影响，正是一种潮湿又多二氧化碳的环境，适宜(C1.5SH)和(C2SH)的分解。
　　归纳以上反应：
　　1)料礓石(CaCO3+黏土)—→2CaO·SiO2(C2S)
　　2CaO·SiO2(C2S)—→1.5CaO·SiO2·nH2O(C1.5SH)
　　1.5CaO·SiO2·nH2O(C1.5SH)—→CaCO3+H2O
　　2)Ca(OH)2—→CaCO3+H2O
　　3)1.5Ca(OH)2+SiO2—→1.5CaO·SiO2·H2O(C1.5SH)
　　1.5CaO·SiO2·H2O(C1.5SH)—→CaCO3+H2O
　　因此，现在对F405地面胶凝材料做X射线衍射分析时，结果其主要成分为碳酸钙，也是符合这一实际的变化过程。即使还有少量(C1.5SH)存在，因为它是非晶状的胶凝材料，难以做X射线粉晶衍射分析。
　　为了进一步说明这个问题，我们对上述在900℃下烧制72h料礓石粉碎，做水化反应。将水化15d后的胶结体，在东京国立文化财研究所无机分析专家江本义理先生指导下，做X射线衍射分析，无水化的烧料礓石中出现明显的水泥熟料——硅酸钙(Lar-nite)的衍射峰，水化样品中明显出现水化硅酸钙(Portlandite)的衍射峰(图11-23、图11-24、图11-25)(因试验时间所限，未做更长时间的水化物分析)。这就充分证明了烧料礓石不同于烧石灰，烧料礓石中已经含有水泥的一种主要成分——硅酸钙。它已经明显地具有水泥的特性——水硬性。
　　通过上述的研究，把中国秦安大地湾仰韶F405、F901地面建筑材料称之为古老混凝土是科学的。但这毕竟是新石器时代的建筑材料，受到制作条件和工艺的限制，又经历了5000年大自然的风吹、日晒、雨淋的风化破坏，无论如何不能完全与现代水泥的一切特性作比较。就目前的考古发现和指导来看，秦安大地湾F405、F901地面胶凝材料是目前世界上最早的混凝土，它也可以称之为现代混凝土的祖先。
　　(四)结论
　　经过进一步对秦安大地湾F405、F901地面胶凝材料的研究，我们认为F405、F901地面中的人造轻骨料是小块料礓石直接烧制而成的。从化学分析看，人造轻骨料和料礓石的化学成分基本相同，但物理力学性能却不一样(见表11-5)。人造轻骨料外形很像各种不同规格的天然碎石，粒度一般约0.15～1cm，外表有一层致密而光滑的深灰色釉面，表面炭化很好。因此，当初被考古学家们误认为天然碎石。但拿在手中，感觉和天然碎石大不一样，轻得多。表面虽光滑坚硬，但用手很容易掰开，断面有明显的空洞、孔隙和环状纹理，这是料礓石在煅烧过程中排出二氧化碳而形成的。测得这种骨料的孔隙率为33%。因此人造轻骨料整体强度较天然碎石低得多。
　　天然料礓石内部致密坚硬，外表粗糙呈土黄色。只有5%的孔隙率，具有较高的力学强度。从偏光显微镜对人造轻骨料和天然料礓石所做的分析看，虽然两者的主要成分都是方解石，但方解石的结晶状况明显不同，人造轻骨料的结晶、矿化较天然料礓石差，结晶粒度相仿的有集聚现象，这显然是人造轻骨料中的方解石是再结晶而生成的碳酸钙。天然料礓石经煅烧后先生成氧化钙，做成房屋地面后，长期吸收空气中的二氧化碳，碳化生成再结晶碳酸钙：
　　CaO+CO2—→CaCO3
　　天然料礓石的结晶和天然石灰石的结晶完全一样，很明显不是再结晶矿物。在50倍的偏光显微镜下，天然料礓石中可见结晶很好的石英、云母等天然矿物，但在人造轻骨料中未发现这些矿物，这可能是在煅烧过程中，石英的结晶受到一定破坏，云母的水化矿物分解的原因。在X射线衍射分析中，虽然在人造轻骨料中也发现了石英存在，但其衍射峰很弱，这又进一步证明料礓石在煅烧过程中，石英的晶形受到破坏。但在天然料礓石中，石英的衍射峰就强得多。
　　F405地面的胶凝材料呈浅棕褐色，较致密坚硬。从化学分析的结果看，除SiO2、Fe2O3和Al2O3的含量较料礓石稍高外，其他成分和料礓石基本相同。这显然是在使用时掺加了少量红黏土的原因。偏光显微镜和X射线分析结果，F405地面胶凝材料其主要成分仍为方解石，但发现里面含有少量水化云母和石英等天然矿物，这些天然矿物显然是未经过煅烧的，而方解石的结晶状况和人造轻骨料中方解石的结晶基本一样，是料礓石煅烧后历经5000年的变化而形成的再结晶碳酸钙。这就进一步说明，F405地面的胶凝材料的制做工艺为：先将料礓石煅烧，然后粉碎，掺和约10%～20%的红黏土。而F405的地面是以这种混合材料做胶凝材料，以上述的人造轻骨料做集料，做成的一种轻型混凝土。