糯米浆加入石灰浆中的科学意义是什么?

糯米浆加入石灰浆中的科学意义是什么?
糯米浆加入石灰浆中的科学意义是什么?

糯米浆加入石灰浆中的科学意义是什么?
糯米浆加入石灰浆中的科学意义
灰浆中掺入的糯米浆—这种易于腐败的天然多糖类物质为什么历经千百年而不腐呢? 研究表明, 这和糯米灰浆的制造和固化过程有关. 在糯米灰浆的制作过程中, 石灰发生了下述化学变化:
CaO+H2O = Ca(OH)2 (1)
Ca (OH)2→Ca2++2OH−(2)
反应(1)是生石灰与水的消解反应, 生成消石灰, 即 Ca(OH)2, 同时放出大量的热. 研究表明, 生石灰消解过程会产生活性氧, 而活性氧对细菌有极强的杀灭作用[. 反应(2)是 Ca(OH)2 的电离反应. 该反应产生了两种离子: Ca2+和 OH−s . 研究已经证实, 强的碱性环境能抑制和杀灭细菌, 其作用机理在于强碱能溶蚀细菌的细胞膜 Ca(OH)2饱和溶液的pH值在12.4左右, 几乎没有细菌能在如此强的碱性环境下生存. 在糯米灰浆的固化过程中, 消石灰发生了下述化学变化:
Ca(OH)2 +CO2= CaCO3+H2O (3) 在该反应中, 消石灰(Ca(OH)2)和空气中的二氧化碳(CO2)反应生成方解石晶型的碳酸钙(CaCO3). 随着反应(3)的进行, 生成的碳酸钙越来越多, 糯米灰浆逐渐固化, 强度也越来越大, 直到 Ca(OH)2 完全转化为碳酸钙为止. 在糯米灰浆内部, CO2的渗入量受到限制, 完全固化是一个长期过程, 在 Ca(OH)2 全部转化为 CaCO3之前, 反应(2)一直存在, 它维持了抑制细菌滋生所需的强碱性环境. 腐生细菌难以滋生是糯米灰浆中的糯米成分得以保存的主要原因. 由此看来, 糯米灰浆巧妙地利用了石灰的防腐作用.
进一步的研究表明, 糯米等有机成分和石灰是传统灰浆中的关键组分, 它们对于灰浆粘接强度的提高起到了主要作用; 而对于糯米成分来讲, 土和砂子是惰性组分, 它们基本上只起填料的作用.
那么, 糯米浆加入石灰浆中有什么科学意义呢? 比较一下糯米浆加入石灰浆之后形成的糯米灰浆的性能或许就可以找到答案. 浙江大学文物保护材料实验室在研究石质文物的生物矿化保护材料时发现[ 石灰中加入 3%的糯米浆以后, 它的抗压强度提高了30倍, 表面硬度提高了2.5倍, 耐水浸泡性大于68天以上. 进一步的研究发现, 糯米浆加入之后灰浆的性能之所以提高, 是因为糯米浆至少有如下两个科学作用.
1) 糯米浆对石灰的碳酸化反应, 即反应有调控作用,前面已经提到, 糯米是一种多糖, 现代科学研究表明, 生物多糖类物质往往可以作为生物矿化过程的模板剂, 约束和调控无机物离子在结晶过程中形成的结晶颗粒的大小、形貌和结构. 例如: 杨林等发现, 在葡聚糖作为模板参与的碳酸钙矿化过程中生成了菜叶状的文石型碳酸钙晶体, 而没有葡聚糖参与时生成的则是多层重叠的块状方解石晶体; 张秀英等[65]研究了 β-环糊精作为模板剂的矿化体系, 发现生成的碳酸钙也是文石型的晶体, 不过形貌为奇特的鹿角状; 丁唯嘉等,研究了以羧甲基淀粉、醚化淀粉、磷酸酯淀粉作为模板剂的碳酸钙晶体的矿化过程, 发现羧甲基淀粉使生成的碳酸钙呈多
孔蜂窝状的文石型晶体, 醚化淀粉和磷酸酯淀粉则使生成的碳酸钙呈球形的球霰石晶体. 浙江大学文物保护材料实验室,直接研究了糯米浆作为碳酸钙矿化过程的模板剂的调控作用, 发现在糯米浆的参与下, Ca(OH)2矿化反应生成的碳酸钙是纳米尺度的方解石晶型的细小颗粒, 比不加糯米浆的结果要细小和致密得多, 这种细密结构正是前面所述的糯米灰浆抗压强度和表面硬度会大大提高的微观解释.
2) 糯米浆和生成的碳酸钙颗粒之间有协同作用. 浙江大学在对灰浆取样和仿制灰浆分析后发现, 在固化的糯米灰浆中, 糯米浆成分和碳酸钙颗粒分布均匀, 它们之间互相包裹, 填充密实, 形成了有机/无机协同作用的复合结构, 这种结构使得糯米灰浆具有较好韧性和强度. 类似的, 更典型的有机/无机复合结构常见于骨骼、牙齿和贝壳等生物矿化物之中. 在人和动物的骨骼和牙齿中, 胶原蛋白和羟基磷灰石就是以复合结构方式结合的[68]; 软体动物的贝壳也是由多糖、蛋白质等有机物和碳酸钙组成的复合物质构成, 并由此表现出优异的力学强度和韧性.
综上所述, 我们有理由相信, 在一定程度上, 糯米浆参与的生石灰灰浆的硬化过程实际上就是天然生物多糖(糯米浆)参与的碳酸钙的生物矿化过程. 在此过程中, 糯米浆既起到了调控碳酸钙结晶过程和微结构的作用, 同时还与生成的碳酸钙紧密结合, 形成了有机物/无机物相互搭配、密实填充的复合结构, 这应该就是糯米灰浆强度大、韧性强等优良力学性能的微观基础.
3）结论
从历史文献和考古证据来看, 出现于至少1500年以前(从南北朝算起)的以糯米灰浆为代表的中国传统灰浆确实是我国古代的一项重大发明, 它具有耐久性好, 自身强度和粘接强度高, 韧性强, 防渗性好等优良性能. 糯米灰浆耐久性好的原因在于石灰成分的防腐作用; 糯米灰浆强度高, 韧性强等性能则和灰浆固化过程形成的类似生物矿化物的微结构有关; 韧性与防渗性则与生成的纳米级碳酸钙和包裹的糯米浆膜之间的无机/有机物的协同作用有关. 糯米灰浆的发明和使用使当时建筑物的牢固程度和持久性有了历史性的突破. 我国诸多的古代建筑得以存留至今, 糯米灰浆功不可没. 从科技史角度, 中国是最早利用生物矿化原理和有机/无机物协同作用制作建筑材料的国家, 中国古人的聪明才智令人叹服. 今天, 挖掘糯米灰浆的科学价值不仅是弘扬中华文化的需要, 它对于传统技术的科学利用, 特别是为古建筑的维修和修复服务也具有重要意义.