劉效彬，崔 彪

（1.江蘇師范大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.浙江省文物考古研究所，浙江杭州 310014）

海防炮臺(tái)是海防工程防御體系的重要組成部分，一般由墻垣、炮洞、火藥庫(kù)、營(yíng)房等構(gòu)成，構(gòu)筑于沿海、江河口岸、海島等戰(zhàn)略要塞之處。歷史上為防止倭寇、海盜襲擾和殖民者的海上入侵，明清兩代統(tǒng)治者在我國(guó)沿海修筑了大量軍事炮臺(tái)，時(shí)至今日，一部分遺留下來的海防遺址已成為我國(guó)東南沿海軍民抗擊外敵入侵的歷史見證。而位于東南沿海海防要地的浙江地區(qū)更是炮臺(tái)眾多，僅清道光六年（1826年）就建造炮臺(tái)30多座［1］。為了解浙江地區(qū)夯土炮臺(tái)的材料物化特征及制作工藝，保護(hù)海防文化遺產(chǎn)，選取5處具有代表性的炮臺(tái)遺址進(jìn)行分析研究。該研究對(duì)復(fù)原當(dāng)?shù)毓糯煌凉に嚰昂煌僚谂_(tái)的保護(hù)加固具有重要參考意義。

嘉興天妃宮炮臺(tái)、南灣炮臺(tái)位于杭州灣北岸乍浦鎮(zhèn)，乍浦在歷史上為“?？谥劓?zhèn)”，東南的九龍山為其天然屏障，古時(shí)沿海炮臺(tái)、要塞、兵營(yíng)眾多，天妃宮炮臺(tái)、南灣炮臺(tái)為保存至今僅存的幾處軍事設(shè)施的一部分?，F(xiàn)存天妃宮炮臺(tái)為清道光二十一年（1841年）重建，南灣炮臺(tái)建于清光緒二十年（1894年），1989年12月被浙江省人民政府公布列為浙江省第三批文物保護(hù)單位。

寧波靖遠(yuǎn)炮臺(tái)、宏遠(yuǎn)炮臺(tái)是甬江南岸鎮(zhèn)海口海防遺址的重要組成部分，1996年被國(guó)務(wù)院公布為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。靖遠(yuǎn)炮臺(tái)位于金雞山東北麓沙灣頭，建于清光緒六年（1880年）。宏遠(yuǎn)炮臺(tái)位于笠山東北麓，建于清光緒十三年（1887年）。

溫州龍灣炮臺(tái)位于瑤溪鎮(zhèn)龍灣山，原名溫標(biāo)右營(yíng)龍灣炮臺(tái)，簡(jiǎn)稱龍灣炮臺(tái)，建于清光緒九年（1883年），扼守甌江口，為近代溫州軍民抵御外辱的重要江防設(shè)施，龍灣炮臺(tái)于1985年被列為溫州市第二批文物保護(hù)單位。

1 實(shí)驗(yàn)部分

為保護(hù)炮臺(tái)遺址，選擇夯土墻脫落、崩裂部位取塊狀樣品，去除表面污染、風(fēng)化部分，置于烘箱，在105℃左右烘至恒重，移入干燥器備用。

表面硬度：使用LX－D型邵氏硬度計(jì)測(cè)定樣品的表面壓痕硬度。

表觀密度：使用蠟封法測(cè)定夯土的表觀密度，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次取平均值。

顯微觀察：表面形態(tài)和巖相分析使用KEYENCE VHX－6000超景深三維顯微鏡，微觀形貌分析使用JEOL JSM－IT300掃描電子顯微鏡（SEM）。

物質(zhì)組分：使用BRUKER D8 ADVANCE X射線粉末衍射儀（XRD）進(jìn)行結(jié)晶物相分析，Cu靶，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描角度5°～85°，步長(zhǎng)0.02°。

碳酸鈣測(cè)定：參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤碳酸鈣的測(cè)定（LY／T 1250—1999）》及相關(guān)文獻(xiàn)［2］，使用氣量法測(cè)定夯土中的碳酸鈣，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次取平均值。

粒度分析：使用MALVERN MS－2000激光粒度分析儀（LPA）進(jìn)行粒度分析，632.8 nm He－Ne激光及466 nm固體藍(lán)光光源，水介質(zhì)，量程0.02～2 000μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 物質(zhì)組成與微觀結(jié)構(gòu)

通過肉眼觀察，5座海防炮臺(tái)夯土墻外觀整體呈土紅色，應(yīng)和浙江地區(qū)紅壤廣泛發(fā)育，炮臺(tái)建造時(shí)就地取土有關(guān)。體式顯微鏡下可以看出：5座炮臺(tái)夯土樣品中都有白色膠結(jié)物分布，而宏遠(yuǎn)炮臺(tái)的膠結(jié)物含量明顯偏少；南灣炮臺(tái)夯土中含有一定的礫石骨料，其他夯土樣品盡管存在個(gè)別礫石，但主要是原土壤中包含的雜物，非人工故意添加骨料。因此，南灣炮臺(tái)是由素土、膠結(jié)物和礫石骨料組成的三合土，其他炮臺(tái)是由素土和膠結(jié)物組成灰土或“二元”三合土夯筑而成。

表面硬度和表觀密度測(cè)試結(jié)果表明（表1），炮臺(tái)夯土墻樣品的硬度和密度數(shù)據(jù)基本呈正相關(guān)，也就是密度越大表面硬度相應(yīng)越高。天妃宮炮臺(tái)夯土墻的邵氏硬度達(dá)90.7度，表觀密度1.8 g／cm3，密度值已達(dá)到現(xiàn)代B級(jí)混凝土實(shí)心磚的等級(jí)，然后依次是龍灣炮臺(tái)、靖遠(yuǎn)炮臺(tái)和南灣炮臺(tái)，宏遠(yuǎn)炮臺(tái)最低，應(yīng)和膠結(jié)材料偏少有關(guān)。夯土墻樣品的SEM觀察結(jié)果顯示，天妃宮炮臺(tái)與龍灣炮臺(tái)空隙最少，結(jié)構(gòu)排列最為致密，其相應(yīng)的表面硬度和表觀密度值也最大，然后是靖遠(yuǎn)炮臺(tái)和宏遠(yuǎn)炮臺(tái)。而南灣炮臺(tái)由于礫石骨料的存在，在骨料周圍形成較多空隙，導(dǎo)致出現(xiàn)表面硬度相對(duì)高而表觀密度較低的測(cè)試結(jié)果。

表1 海防炮臺(tái)夯土墻樣品的基本物理特征

2.2 膠結(jié)物與材料配比

圖1為夯土墻樣品XRD分析結(jié)果。從圖1可以看出，浙江海防炮臺(tái)夯土墻樣品的主要成分是石英和膠結(jié)物碳酸鈣，其中石英是土壤里的主要礦物質(zhì)，碳酸鈣應(yīng)是由夯土制作時(shí)添加的消石灰（即下文的氫氧化鈣）碳化而成。樣品中碳酸鈣結(jié)晶以方解石為主，有少部分球霰石。球霰石是碳酸鈣常見3種晶型中最不穩(wěn)定的一類，自然溫度下很容易轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐?］，所以自然界中很少見，常見于生物礦化組織或人工合成實(shí)驗(yàn)，因此這里的球霰石碳酸鈣應(yīng)是人工消石灰碳化后的產(chǎn)物，但經(jīng)過100多年仍然沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化，可能和夯土墻內(nèi)的干燥環(huán)境有一定聯(lián)系［4］。

圖1 海防炮臺(tái)夯土墻樣品的X射線衍射

表2是炮臺(tái)夯土墻樣品中碳酸鈣定量測(cè)定結(jié)果。由于在實(shí)際的建筑工程中夯土拌和時(shí)使用的是消石灰，為便于討論夯土原料配比，將碳酸鈣含量轉(zhuǎn)化為氫氧化鈣（消石灰）的含量。結(jié)果顯示，南灣炮臺(tái)樣品氫氧化鈣含量最高，為20.03%，然后依次為天妃宮炮臺(tái)的18.54%，龍灣炮臺(tái)的16.07%，靖遠(yuǎn)炮臺(tái)的9.52%，宏遠(yuǎn)炮臺(tái)的6.11%。如2.1所述，除南灣炮臺(tái)夯土添加有礫石骨料外，其他炮臺(tái)夯土由膠結(jié)物和素土組成。因此，天妃宮炮臺(tái)的灰土質(zhì)量比為18.54∶81.46，龍灣炮臺(tái)的灰土質(zhì)量比為16.07∶83.93，靖遠(yuǎn)炮臺(tái)的灰土質(zhì)量比為9.52∶90.48，宏遠(yuǎn)炮臺(tái)的灰土質(zhì)量比為6.11∶93.89?？紤]到素土成分的復(fù)雜性，灰土中少許消石灰可能會(huì)參與其他化學(xué)反應(yīng)，如火山灰反應(yīng)等，這里計(jì)算的灰土比值難免存在些許誤差。若按工程中一般消石灰粉密度0.6 g／cm3，素土密度1.8 g／cm3，把灰土質(zhì)量比換算為體積比，則天妃宮炮臺(tái)的灰土體積比是41∶59，龍灣炮臺(tái)的灰土體積比是36∶64，靖遠(yuǎn)炮臺(tái)的灰土體積比是24∶76，宏遠(yuǎn)炮臺(tái)的灰土體積比是16∶84?？紤]到古代工匠在材料配比時(shí)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)而缺乏精確稱量，以及石灰本身含有一定雜質(zhì)等因素，可以判斷天妃宮炮臺(tái)和龍灣炮臺(tái)使用的大約是四六灰土，靖遠(yuǎn)炮臺(tái)使用的大約是三七灰土，宏遠(yuǎn)炮臺(tái)使用的大約是二八灰土。南灣炮臺(tái)夯土墻樣品經(jīng)消解、分散、過篩、烘干稱重等處理，測(cè)得礫石骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占28.5%，因此其灰、土、骨料質(zhì)量比為20.03∶28.5∶51.2，約為2∶3∶5。需要說明的是，浙江大學(xué)張秉堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)的研究表明，靖遠(yuǎn)炮臺(tái)、宏遠(yuǎn)炮臺(tái)、南灣炮臺(tái)和天妃宮炮臺(tái)在建造時(shí)添加了糯米添加劑［5］。

表2 海防炮臺(tái)夯土墻樣品中碳酸鈣定量測(cè)定結(jié)果 單位：%

2.3 素土粒度分布

炮臺(tái)夯土樣品粒度區(qū)間分布曲線及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見圖2、表3。分析結(jié)果顯示，浙江夯土炮臺(tái)所用素土的粒度分布特征與炮臺(tái)的地理位置高度相關(guān)：同處杭州灣北岸乍浦鎮(zhèn)的南灣炮臺(tái)和天妃宮炮臺(tái)的粒度分布曲線相似，素土粒徑主要分布在6～200μm之間，D50粒徑約33μm；同處寧波甬江南岸的宏遠(yuǎn)炮臺(tái)和靖遠(yuǎn)炮臺(tái)的粒度分布曲線相似，素土粒徑主要分布在2～60μm之間，D50粒徑約17μm；而位于溫州地域的龍灣炮臺(tái)自成一體，素土粒徑主要分布在12～270μm之間，D50粒徑約50μm。這也說明寧波宏遠(yuǎn)炮臺(tái)和靖遠(yuǎn)炮臺(tái)的素土顆粒最細(xì)，嘉興南灣炮臺(tái)和天妃宮炮臺(tái)次之，溫州龍灣炮臺(tái)的素土顆粒最粗。

圖2 海防炮臺(tái)夯土墻樣品素土粒徑分布

根據(jù)土壤學(xué)對(duì)黏粒（＜2μm）、粉粒（2～50μm）和砂粒（50～2 000μm）的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)分析炮臺(tái)樣品素土不同粒徑的百分比含量（表3），依照美國(guó)農(nóng)部制土壤質(zhì)地標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，可以看出：宏遠(yuǎn)炮臺(tái)、靖遠(yuǎn)炮臺(tái)、南灣炮臺(tái)、天妃宮炮臺(tái)的素土屬于粉質(zhì)壤土，而龍灣炮臺(tái)介于砂質(zhì)壤土與粉質(zhì)壤土之間（圖3）。

表3 素土粒徑分布D10、D50、D90數(shù)據(jù)及黏粒、粉粒、砂粒粒級(jí)含量

圖3 炮臺(tái)樣品素土質(zhì)地三角圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)浙江地區(qū)不同地域5處海防炮臺(tái)遺址夯土墻材料的理化分析，可以得出以下結(jié)論：

1）靖遠(yuǎn)炮臺(tái)、宏遠(yuǎn)炮臺(tái)、龍灣炮臺(tái)和天妃宮炮臺(tái)是由石灰和素土組成的灰土或“二元”三合土夯筑而成，其中天妃宮炮臺(tái)和龍灣炮臺(tái)使用的是“四六灰土”，靖遠(yuǎn)炮臺(tái)使用的是“三七灰土”，宏遠(yuǎn)炮臺(tái)使用的是“二八灰土”；而南灣炮臺(tái)則是由石灰、素土、礫石骨料組成的三合土夯筑而成，其灰、土、骨料質(zhì)量比約為2∶3∶5。

2）5座海防炮臺(tái)夯土墻體的強(qiáng)度不僅取決于夯筑工程質(zhì)量，如墻體密度越大，硬度越高，而且和石灰的添加量有關(guān)。該研究表明，從硬度數(shù)據(jù)看，“四六灰土”墻＞“三七灰土”墻＞“二八灰土”墻。

3）這些海防炮臺(tái)建造時(shí)使用的素土來自于本地紅壤土，從質(zhì)地看，宏遠(yuǎn)炮臺(tái)、靖遠(yuǎn)炮臺(tái)、南灣炮臺(tái)和天妃宮炮臺(tái)的素土屬于粉質(zhì)壤土，溫州龍灣炮臺(tái)則介于砂質(zhì)壤土與粉質(zhì)壤土之間。