《Case Studies in Construction Materials》：Production Technology of Historical Mortars: The Tomb Chamber of the Holy Aedicule in Jerusalem
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本研究针对耶路撒冷圣墓祭坛（Holy Aedicule）墓室采集的历史灰泥样品，旨在厘清其与建筑历史分期相对应的生产技术特征。样品采集工作由雅典国立技术大学（National Technical University of Athens）跨学科团队在综合修复工
本研究针对耶路撒冷圣墓祭坛（Holy Aedicule）墓室采集的历史灰泥样品，旨在厘清其与建筑历史分期相对应的生产技术特征。样品采集工作由雅典国立技术大学（National Technical University of Athens）跨学科团队在综合修复工程框架下完成。研究人员综合运用岩石学与矿物学手段，包括光学显微镜（OM）、配备能量色散X射线光谱仪的扫描电子显微镜（SEM-EDS）及X射线衍射（XRD），并结合区域地质源信息对数据进行分析。此外，还实施了物理化学分析，涵盖筛分分析、体视显微镜观察、差热-热重分析（DTA-TG）、微区拉曼光谱（μ-Raman）及衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）。结果表明，在大多数跨越不同建造分期的灰泥中，石膏既充当胶凝材料又充当集料，反映了数个世纪以来对其使用的悠久传统。硅灰石（wollastonite）及类斯勃罗道尔斯基矿（srebrodolskite-like mineral）等高温相的检出证实了原料来源于经历火成变质作用的哈特鲁里姆组（Hatrurim Formation）石膏，而生物碎屑灰岩集料则对应于典型的朱迪亚群（Judea Group）岩性。研究区分出三组灰泥，分别对应不同历史分期的生产技术：（1）晚罗马-早期拜占庭时期灰泥（335–345 AD），由含少量方解石的混合石膏基胶凝材料及混合集料构成，含有木炭、碳化植物碎片及天然树脂颗粒，体现了精湛的技术工艺；（2）11至16世纪灰泥，特征为石膏基胶凝材料中含有方解石及Si–Al/Si–Al–Mg相，这可能归因于石膏原料中的天然杂质，或为了增强灰泥力学强度与耐久性而有意添加了火山灰材料（无论是否掺入石灰）；（3）19世纪科穆宁（Komnenos）修复灰泥，其特征为富含碳酸盐的基体及富含陶片的集料。
研究背景与意义
耶路撒冷圣墓祭坛内的墓室被认为是耶稣基督安葬之处，是一座经历了17个世纪演变的复杂建筑。该建筑长期依赖1947年英国委任统治时期安装的外部铁架维持稳定，结构安全面临严峻挑战。2016年至2017年，雅典国立技术大学跨学科团队在Antonia Moropoulou教授的主持下，对该建筑进行了科学修复。历史灰泥作为建筑材料的“档案”，其配方与工艺的演变直接关联着建筑的营造与修缮历史。然而，此前针对该遗址灰泥的系统科学研究尚显不足，特别是关于石膏基灰泥在不同历史时期的微观演变机制及其原材料溯源研究有待深入。本研究通过对墓室及拱形墓龛（Arcosolium）内灰泥的多维表征，旨在揭示从君士坦丁大帝时期到19世纪科穆宁修复期间的建筑材料技术变迁，为理解该纪念碑的建筑史提供关键的科学依据。相关研究成果发表于《Case Studies in Construction Materials》。
关键技术方法
研究人员采用了多分析技术联用的策略。首先，在修复工程期间，从墓室不同部位（包括拱形墓龛、南侧壁面、东北侧墙体等）采集了8个代表性灰泥样品，这些样品涵盖了从4世纪君士坦丁时期到19世纪的多个历史阶段。物相分析方面，利用X射线衍射确定矿物组成，结合光学显微镜和SEM-EDS进行微观形貌与微区成分分析，并通过差热-热重分析定量评估水化产物与热稳定性。针对特定添加剂，采用微区拉曼光谱和ATR-FTIR进行分子结构鉴定。此外，研究结合了先前已发表的释光测年数据，将材料特征与绝对年代相对应，并利用筛分分析分离不同粒径组分以进行针对性检测。
研究结果
3.1 筛分分析的物理组分分离
通过对君士坦丁时期的Arc_m2和RC_m1样品进行筛分分析，结果显示两者均具有极高的胶凝材料与集料比（B/A分别为3.9和2.7），符合其作为找平层和填缝层的功能需求。在小于250 μm的组分中，研究人员发现了具有特定几何形态的木炭包裹体及黑色纤维状植物残骸。RC_m1样品中还发现了一个橙色的半透明颗粒，这些发现为探讨古代生产工艺提供了直接证据。
3.2 岩石学与矿物学研究
显微观察与XRD分析将灰泥分为三大类。第一类为石膏主导型，如Arc_m1、Arc_m2等，石膏含量高达76-93 wt%。集料主要为生物碎屑灰岩，伴有石膏、大理石及石英等。值得注意的是，在SecN3_m样品中发现了硅灰石和类斯勃罗道尔斯基矿，这指示了原材料可能源自经历高温变质的哈特鲁里姆组。第二类为Arc_m3样品，其为纯石灰基灰泥，富含陶瓷碎片集料。第三类为19世纪的SecN3_m样品，虽然基体以方解石为主，但出现了大量钙矾石（ettringite）和碳硫硅钙石（thaumasite），这是高湿度环境下硫酸盐侵蚀导致的劣化产物。
3.3 化学成分分析
3.3.1 热分析（DTA/TG）
热重分析进一步验证了矿物学结果。石膏基灰泥在100-220°C区间表现出显著的质量损失，对应二水石膏脱水转化为半水石膏及硬石膏的过程。Arc_m3样品在750°C左右的大幅失重对应方解石的分解，证实了其高石灰含量。SecN3_m样品在143°C的吸热峰独特地对应了钙矾石的结构水脱失，而在600-1000°C区间的失重则与碳酸盐及陶瓷集料的分解有关。
3.3.2 μ-Raman与ATR-FTIR光谱分析
光谱分析确认了筛分分离出的红色和黄色集料主要由石膏和方解石组成。对添加剂的分析显示，黑色纤维为碳化植物纤维。最为重要的是，RC_m1中发现的橙色颗粒被鉴定为一种天然树脂，并含有蜂蜡成分，这表明在4世纪君士坦丁时期的灰泥生产中使用了复杂的有机添加剂。
原材料来源探讨
矿物学特征表明，大部分原材料具有本地起源。石膏很可能来自耶路撒冷周边的蒸发岩序列或哈特鲁里姆组。生物碎屑灰岩集料与当地的朱迪亚群岩性一致。含有磷灰石的大理石碎片仅出现在后期修复灰泥中，推测可能是对早期圣墓建筑拆除废料的回收利用，体现了宗教文物的神圣性延续。
生产技术与断代讨论
研究确立了三个主要的生产技术群组。第一组为君士坦丁时期（335-345 AD），特征为使用高纯度石膏基胶凝材料，并系统添加了碳化植物纤维以增强力学性能，同时添加天然树脂作为功能性组分，代表了当时先进的材料技术。第二组为11至16世纪（拜占庭至十字军及拉古萨的博尼法斯修复期），石膏基灰泥中普遍检测到Si-Al/Mg相，这可能是由于原料杂质或为了改善耐久性而人为掺入了火山灰材料。第三组为19世纪科穆宁修复期，完全转变为石灰基体系，并大量使用陶片作为集料，但在潮湿环境下引发了严重的硫酸盐侵蚀病害。
结论翻译
本研究通过对耶路撒冷圣墓祭坛墓室历史灰泥的多分析表征，结合岩石学、矿物学和物理化学数据，并与区域地质信息和先前研究的绝对测年结果相关联，记录了从4世纪君士坦丁起源到19世纪科穆宁修复期间灰泥技术的演变。研究识别出三个不同的灰泥群组，证明了本地采购原材料的使用及特殊添加剂的应用。石膏在大多数调查样品中作为主要胶凝材料和集料，反映了其在耶路撒冷因储量丰富和干燥气候而被长期使用的历史。高温相的存在确证了原材料源自火成变质的哈特鲁里姆组，而生物碎屑灰岩集料则反映了常见的朱迪亚群岩性。此外，研究揭示了不同时期的技术特征：晚罗马-早期拜占庭时期的精湛工艺、中世纪为增强耐久性可能的改性尝试，以及19世纪向碳酸盐基体系的转变。这些发现构成了全面的科学记录，阐明了对应于纪念碑建筑与构造转型不同时期的建筑材料特征，从而揭示并证实了丰富的修复历史。
