浙江海防炮台夯土墙材料分析研究

刘效彬，崔 彪

（1.江苏师范大学历史文化与旅游学院，江苏徐州 221116；2.浙江省文物考古研究所，浙江杭州 310014）

海防炮台是海防工程防御体系的重要组成部分，一般由墙垣、炮洞、火药库、营房等构成，构筑于沿海、江河口岸、海岛等战略要塞之处。历史上为防止倭寇、海盗袭扰和殖民者的海上入侵，明清两代统治者在我国沿海修筑了大量军事炮台，时至今日，一部分遗留下来的海防遗址已成为我国东南沿海军民抗击外敌入侵的历史见证。而位于东南沿海海防要地的浙江地区更是炮台众多，仅清道光六年（1826年）就建造炮台30多座［1］。为了解浙江地区夯土炮台的材料物化特征及制作工艺，保护海防文化遗产，选取5处具有代表性的炮台遗址进行分析研究。该研究对复原当地古代夯土工艺及夯土炮台的保护加固具有重要参考意义。

嘉兴天妃宫炮台、南湾炮台位于杭州湾北岸乍浦镇，乍浦在历史上为“海口重镇”，东南的九龙山为其天然屏障，古时沿海炮台、要塞、兵营众多，天妃宫炮台、南湾炮台为保存至今仅存的几处军事设施的一部分。现存天妃宫炮台为清道光二十一年（1841年）重建，南湾炮台建于清光绪二十年（1894年），1989年12月被浙江省人民政府公布列为浙江省第三批文物保护单位。

宁波靖远炮台、宏远炮台是甬江南岸镇海口海防遗址的重要组成部分，1996年被国务院公布为全国重点文物保护单位。靖远炮台位于金鸡山东北麓沙湾头，建于清光绪六年（1880年）。宏远炮台位于笠山东北麓，建于清光绪十三年（1887年）。

温州龙湾炮台位于瑶溪镇龙湾山，原名温标右营龙湾炮台，简称龙湾炮台，建于清光绪九年（1883年），扼守瓯江口，为近代温州军民抵御外辱的重要江防设施，龙湾炮台于1985年被列为温州市第二批文物保护单位。

1 实验部分

为保护炮台遗址，选择夯土墙脱落、崩裂部位取块状样品，去除表面污染、风化部分，置于烘箱，在105℃左右烘至恒重，移入干燥器备用。

表面硬度：使用LX－D型邵氏硬度计测定样品的表面压痕硬度。

表观密度：使用蜡封法测定夯土的表观密度，每个样品平行测定3次取平均值。

显微观察：表面形态和岩相分析使用KEYENCE VHX－6000超景深三维显微镜，微观形貌分析使用JEOL JSM－IT300扫描电子显微镜（SEM）。

物质组分：使用BRUKER D8 ADVANCE X射线粉末衍射仪（XRD）进行结晶物相分析，Cu靶，管电压40 kV，管电流40 mA，扫描角度5°～85°，步长0.02°。

碳酸钙测定：参照林业行业标准《森林土壤碳酸钙的测定（LY／T 1250—1999）》及相关文献［2］，使用气量法测定夯土中的碳酸钙，每个样品平行测定3次取平均值。

粒度分析：使用MALVERN MS－2000激光粒度分析仪（LPA）进行粒度分析，632.8 nm He－Ne激光及466 nm固体蓝光光源，水介质，量程0.02～2 000μm。

2 结果与讨论

2.1 物质组成与微观结构

通过肉眼观察，5座海防炮台夯土墙外观整体呈土红色，应和浙江地区红壤广泛发育，炮台建造时就地取土有关。体式显微镜下可以看出：5座炮台夯土样品中都有白色胶结物分布，而宏远炮台的胶结物含量明显偏少；南湾炮台夯土中含有一定的砾石骨料，其他夯土样品尽管存在个别砾石，但主要是原土壤中包含的杂物，非人工故意添加骨料。因此，南湾炮台是由素土、胶结物和砾石骨料组成的三合土，其他炮台是由素土和胶结物组成灰土或“二元”三合土夯筑而成。

表面硬度和表观密度测试结果表明（表1），炮台夯土墙样品的硬度和密度数据基本呈正相关，也就是密度越大表面硬度相应越高。天妃宫炮台夯土墙的邵氏硬度达90.7度，表观密度1.8 g／cm3，密度值已达到现代B级混凝土实心砖的等级，然后依次是龙湾炮台、靖远炮台和南湾炮台，宏远炮台最低，应和胶结材料偏少有关。夯土墙样品的SEM观察结果显示，天妃宫炮台与龙湾炮台空隙最少，结构排列最为致密，其相应的表面硬度和表观密度值也最大，然后是靖远炮台和宏远炮台。而南湾炮台由于砾石骨料的存在，在骨料周围形成较多空隙，导致出现表面硬度相对高而表观密度较低的测试结果。

表1 海防炮台夯土墙样品的基本物理特征

2.2 胶结物与材料配比

图1为夯土墙样品XRD分析结果。从图1可以看出，浙江海防炮台夯土墙样品的主要成分是石英和胶结物碳酸钙，其中石英是土壤里的主要矿物质，碳酸钙应是由夯土制作时添加的消石灰（即下文的氢氧化钙）碳化而成。样品中碳酸钙结晶以方解石为主，有少部分球霰石。球霰石是碳酸钙常见3种晶型中最不稳定的一类，自然温度下很容易转变为方解石［3］，所以自然界中很少见，常见于生物矿化组织或人工合成实验，因此这里的球霰石碳酸钙应是人工消石灰碳化后的产物，但经过100多年仍然没有发生转化，可能和夯土墙内的干燥环境有一定联系［4］。

图1 海防炮台夯土墙样品的X射线衍射

表2是炮台夯土墙样品中碳酸钙定量测定结果。由于在实际的建筑工程中夯土拌和时使用的是消石灰，为便于讨论夯土原料配比，将碳酸钙含量转化为氢氧化钙（消石灰）的含量。结果显示，南湾炮台样品氢氧化钙含量最高，为20.03%，然后依次为天妃宫炮台的18.54%，龙湾炮台的16.07%，靖远炮台的9.52%，宏远炮台的6.11%。如2.1所述，除南湾炮台夯土添加有砾石骨料外，其他炮台夯土由胶结物和素土组成。因此，天妃宫炮台的灰土质量比为18.54∶81.46，龙湾炮台的灰土质量比为16.07∶83.93，靖远炮台的灰土质量比为9.52∶90.48，宏远炮台的灰土质量比为6.11∶93.89。考虑到素土成分的复杂性，灰土中少许消石灰可能会参与其他化学反应，如火山灰反应等，这里计算的灰土比值难免存在些许误差。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，把灰土质量比换算为体积比，则天妃宫炮台的灰土体积比是41∶59，龙湾炮台的灰土体积比是36∶64，靖远炮台的灰土体积比是24∶76，宏远炮台的灰土体积比是16∶84。考虑到古代工匠在材料配比时主要依据经验估计而缺乏精确称量，以及石灰本身含有一定杂质等因素，可以判断天妃宫炮台和龙湾炮台使用的大约是四六灰土，靖远炮台使用的大约是三七灰土，宏远炮台使用的大约是二八灰土。南湾炮台夯土墙样品经消解、分散、过筛、烘干称重等处理，测得砾石骨料的质量分数占28.5%，因此其灰、土、骨料质量比为20.03∶28.5∶51.2，约为2∶3∶5。需要说明的是，浙江大学张秉坚教授团队的研究表明，靖远炮台、宏远炮台、南湾炮台和天妃宫炮台在建造时添加了糯米添加剂［5］。

表2 海防炮台夯土墙样品中碳酸钙定量测定结果 单位：%

2.3 素土粒度分布

炮台夯土样品粒度区间分布曲线及相关统计数据见图2、表3。分析结果显示，浙江夯土炮台所用素土的粒度分布特征与炮台的地理位置高度相关：同处杭州湾北岸乍浦镇的南湾炮台和天妃宫炮台的粒度分布曲线相似，素土粒径主要分布在6～200μm之间，D50粒径约33μm；同处宁波甬江南岸的宏远炮台和靖远炮台的粒度分布曲线相似，素土粒径主要分布在2～60μm之间，D50粒径约17μm；而位于温州地域的龙湾炮台自成一体，素土粒径主要分布在12～270μm之间，D50粒径约50μm。这也说明宁波宏远炮台和靖远炮台的素土颗粒最细，嘉兴南湾炮台和天妃宫炮台次之，温州龙湾炮台的素土颗粒最粗。

图2 海防炮台夯土墙样品素土粒径分布

根据土壤学对黏粒（＜2μm）、粉粒（2～50μm）和砂粒（50～2 000μm）的区分标准，统计分析炮台样品素土不同粒径的百分比含量（表3），依照美国农部制土壤质地标准进行分类，可以看出：宏远炮台、靖远炮台、南湾炮台、天妃宫炮台的素土属于粉质壤土，而龙湾炮台介于砂质壤土与粉质壤土之间（图3）。

表3 素土粒径分布D10、D50、D90数据及黏粒、粉粒、砂粒粒级含量

图3 炮台样品素土质地三角图

3 结 语

通过对浙江地区不同地域5处海防炮台遗址夯土墙材料的理化分析，可以得出以下结论：

1）靖远炮台、宏远炮台、龙湾炮台和天妃宫炮台是由石灰和素土组成的灰土或“二元”三合土夯筑而成，其中天妃宫炮台和龙湾炮台使用的是“四六灰土”，靖远炮台使用的是“三七灰土”，宏远炮台使用的是“二八灰土”；而南湾炮台则是由石灰、素土、砾石骨料组成的三合土夯筑而成，其灰、土、骨料质量比约为2∶3∶5。

2）5座海防炮台夯土墙体的强度不仅取决于夯筑工程质量，如墙体密度越大，硬度越高，而且和石灰的添加量有关。该研究表明，从硬度数据看，“四六灰土”墙＞“三七灰土”墙＞“二八灰土”墙。

3）这些海防炮台建造时使用的素土来自于本地红壤土，从质地看，宏远炮台、靖远炮台、南湾炮台和天妃宫炮台的素土属于粉质壤土，温州龙湾炮台则介于砂质壤土与粉质壤土之间。