水泥的發明

水泥的發明

水泥是建築用膠凝材料,按化學組成可分為矽酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥三大類。矽酸鹽水泥是普遍常用的水泥,又稱波特蘭水泥,鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥是特種用途的水泥,本文講述的是矽酸鹽水泥的發明。

有人喜稱水泥為建築的糧食,在人類文明中占有重要地位。現在,全世界水泥產量已達20億噸,是現代社會不可或缺的大宗產品。

水泥的發明是人類在長期生產實踐中不斷積累的結果,是在古代建築膠凝材料的基礎上發展起來的,經曆了一個漫長的曆史過程。

西方古代的建築膠凝材料

在水泥發明前的數千年歲月中,西方最初采用黏土作膠凝材料。古埃及人采用尼羅河的泥漿砌築未經煆燒的土磚。為增加強度和減少收縮,在泥漿中還摻入砂子和草。用這種泥土建造的建築物不耐水,經不住雨淋和河水衝刷,但在幹燥地區可保存許多年。

大約在公元前3000年到2000年間,古埃及人開始采用煆燒石膏作建築膠凝材料,埃及古金字塔的建造中使用了煆燒石膏。公元前30年,埃及並入羅馬帝國版圖之前,古埃及人都是使用煆燒石膏來砌築建築物。

古希臘人與埃及人不同,在建築中所用膠凝材料是將石灰石經煆燒後而製得的石灰。公元前146年,羅馬帝國吞並希臘,同時繼承了希臘人生產和使用石灰的傳統。羅馬人使用石灰的方法是先將石灰加水消解,與砂子混和成砂漿,然後用此砂漿砌築建築物。采用石灰砂漿的古羅馬建築,其中有些非常堅固,甚至保留到現在。

古羅馬人對石灰使用工藝進行過改進,在石灰中不僅摻砂子,還摻磨細的火山灰,在沒有火山灰的地區,則摻入與火山灰具有同樣效果的磨細碎磚。這種砂漿在強度和耐水性方麵較“石灰-砂子”的二組分砂漿都有很大改善,用其砌築的普通建築和水中建築都較耐久。有人將“石灰-火山灰-砂子”三組分砂漿稱之為“羅馬砂漿”。

羅馬人製造砂漿的知識傳播較廣。在古代法國和英國都曾普遍采用這種三組分砂漿,用它砌築各種建築。

在歐洲建築史上,“羅馬砂漿”的應用延續了很長時間。不過,在公元第9、10和11世紀,該砂漿技術幾乎失傳。在這漫長的歲月中,砂漿采用的石灰是煆燒不良的石灰石塊,碎磚也不磨細,質量很差。到公元第12、13和14世紀這段時期,石灰煆燒質量逐漸好轉,碎磚和火山灰也已磨細,“羅馬砂漿”質量恢複到原來的水平。

中國古代的建築膠凝材料中國建築膠凝材料的發展有著自己特有的一個很長的曆史過程。

“白灰麵”

早在公元前5000到3000年的新石器時代的仰韶文化時期,就有人用“白灰麵”塗抹山洞、地穴的地麵和四壁,使其變得光滑和堅硬。“白灰麵”因呈白色粉末狀而得名,它由天然薑石磨細而成。薑石是一種含二氧化矽較高的石灰石塊,常夾雜在黃土中,是黃土中的鈣質結核。“白灰麵”是至今被發現的中國古代最早的建築膠凝材料。

黃泥漿公元前16世紀的商代,地穴建築迅速向木結構建築發展,此時除繼續用“白灰麵”抹地以外,開始采用黃泥漿砌築土坯牆。

　　在公元前403年至公元前221年的戰國時代,出現用草拌黃泥漿築牆,還用它在土牆上襯砌牆麵磚。在中國建築史上,“白灰麵”很早就被淘汰,而黃泥漿和草拌黃泥漿作為膠凝材料則一直沿用到現代社會。

石灰公元前7世紀的周朝出現石灰,周朝的石灰是用大蛤的外殼燒製而成。蛤殼主要成份是碳酸鈣,將它煆燒到碳酸氣全部逸出即成石灰。

　　《左傳》中有記載:“成公二年(即公元前635年)八月宋文公卒始厚葬用蜃灰”。

　　蜃灰就是用蛤殼燒製而成的石灰材料,在周朝就已發現它具有良好的吸濕防潮性能和膠凝性能。

　　在崇尚厚葬的古代,在墓葬中將蜃灰用作吸濕防潮材料,以圖長期保存墓葬物;在墓穴建造中將蜃灰作為膠凝材料來修築陵墓等。

　　在明代《天工開物》一書中有“燒礪房法的圖示”,這說明蜃灰的生產和使用,自周朝開始到明代仍未失傳,在中國曆史上流傳了很長時間。

到秦漢時代,除木結構建築外,磚石結構建築占重要地位。磚石結構須用優良性能的膠凝材料進行砌築,這就促使石灰製造業迅速發展,紛紛采用各地都能采集到的石灰石燒製石灰,石灰生產點應運而生。

　　那時,石灰的使用方法是先將石灰與水混和製成石灰漿體,然後用漿體砌築條石、磚牆和磚石拱券,以及粉刷牆麵。在漢代,石灰的應用已很普遍,采用石灰砌築的磚石結構能建造多層樓閣。

中國萬裏長城修築於公元前7世紀至公元17世紀,先後有20多個朝代主持和參與建造。秦、漢、明三個朝代修築最長,在總長5萬公裏的長城中修築了5000餘公裏。

　　在這三個朝代,石灰膠凝材料已發展到較高水平,大量用於修建長城。所以,長城的許多地段,後人發現它是用石灰砌築而成的。

明代《天工開物》一書中還詳細記載了石灰的生產方法。清代《營造法原》一書中則記載了石灰燒製工藝與石灰性能之間的關係。

　　這些記載說明我國到明、清年代就已積累了較為豐富的石灰生產和使用知識。

“三合土”

在公元5世紀的中國南北朝時代,出現一種名叫“三合土”的建築材料,它由石灰、黏土和細砂所組成。

　　到明代,有石灰、陶粉和碎石組成的“三合土”。

　　在清代,除石灰、黏土和細砂組成的“三合土”外,還有石灰、爐渣與砂子組成的“三合土”。

　　清代《宮式石橋做法》一書中對“三合土”的配比作了說明:“灰土即石灰與黃土之混合,或謂三合土”;“灰土按四六摻合,石灰四成,黃土六成”。

　　以現代人眼光看,“三合土”也就是以石灰與黃土或其他火山灰質材料作膠凝料、以細砂、碎石或爐渣作填料的混凝土。“三合土”與古羅馬的三組分砂漿,即“羅馬砂漿”有許多類似之處。

“三合土”自問世後一般用作地麵、屋麵、房基和地麵墊層。“三合土”經夯實後不僅具有較高的強度,還有較好的防水性,在清代還將它用於夯築水壩。

在歐洲大陸采用“羅馬砂漿”的時候,遙遠的東方古國???中國也在采用類似“羅馬砂漿”的“三合土”,這是一個很有趣的曆史巧合。

石灰摻有機物的膠凝料中國古代建築膠凝材料發展中一個鮮明的特點是采用石灰摻有機物的膠凝材料,如“石灰-糯米”,“石灰-桐油”,“石灰-血料”,“石灰-白芨”,以及“石灰-糯米-明礬”等。另外,在使用“三合土”時,摻入糯米和血料等有機物。

據民間傳說,秦代修築長城的工程中,采用糯米汁砌築磚石。

　　考古發現,南北朝時期的河南鄧縣的畫像磚牆是用含有澱粉的膠凝料襯砌;河南登封縣的少林寺,北宋宣和二年、明代弘治十二年和嘉靖四十年等不同年代的塔,在建造時都采用了摻有澱粉的石灰作膠凝料。

　　《宋會要》記載,公元1170年南宋乾道六年修築和州城,“其城壁表裏各用磚灰五層包砌,糯米粥調灰鋪砌城麵兼樓櫓,委皆雄壯,經久堅固。”

　　明代修築的南京城是世界上規模最大的磚石城垣,以條石為基,上築夯土,外砌巨磚,用石灰作膠凝料,在重要部位則用石灰加糯米汁灌漿,城垣上部用桐油和土拌和結頂,非常堅固。

　　采用桐油或糯米汁拌和明礬與石灰製成的膠凝料,其粘結性非常好,常用於修補假山石,至今在古建築修繕中仍在沿用。

用有機物拌和“三合土”作建築物的工法,在史料中屢有所見。

　　明代《天工開物》一書中記載:“用以襄墓及貯水池則灰一分入河砂,黃土二分,用糯米、羊桃藤汁和勻,經築堅固,永不隳壞,名曰三合土”。

　　在中國建築史上看到,清康熙乾隆年間,北京蘆溝橋南北岸,用糯米汁拌“三合土”建築河堤數裏,使北京南郊從此免去水患之災。

　　在石橋建築史中記載,用糯米和牛血拌“三合土”砌築石橋,凝固後與花崗石一樣堅固。糯米汁拌“三合土”的建築物非常堅硬,還有韌性,用鐵鎬刨時會迸發出火星,有的甚至要用火藥才能炸開。

中國曆史悠久,在人類文明創造過程中有過輝煌成就,作出過重要貢獻。英國著名科學史學家李約瑟在《中國科學技術史》一書中寫道:“在公元3世紀到13世紀之間,中國保持著西方國家所望塵莫及的科學知識水平”;“中國的那些發明和發現遠遠超過同時代的歐洲,特別是在15世紀之前更是如此”。

　　中國古代建築膠凝材料發展的進程是,從“白灰麵”和黃泥漿起步,發展到石灰和“三合土”,進而發展到石灰摻有機物的膠凝材料。

　　從這段曆史進程可以得出與科學史學家李約瑟相似的結論,中國古代建築膠凝材料有過自己輝煌的曆史,在與西方古代建築膠凝材料基本同步發展的過程中,由於廣泛采用石灰與有機物相結合的膠凝料而顯得略高一籌。

然而,近幾個世紀以來中國落後了,尤其是到清朝乾隆年間末期,即18世紀末期以後,科學技術與西方差距愈來愈大。

　　中國古代建築膠凝材料的發展,到達石灰摻有機物的膠凝材料階段後就停止不前,未能在此基點上跨出一步。西方古代建築膠凝材料則在“羅馬砂漿”的基礎上繼續發展,朝著現代水泥的方向不斷提高,最終發明水泥。

現代水泥的發明

現代水泥的發明有一個漸進的過程,並不是一蹴而就的。

水硬性石灰18世紀中葉,英國航海業已較發達,但船隻觸礁和撞灘等海難事故頻繁發生。為避免海難事故,采用燈塔進行導航。

　　當時英國建造燈塔的材料有兩種:木材和“羅馬砂漿”。然而,木材易燃,遇海水易腐爛;“羅馬砂漿”雖然有一定耐水性能,但尚經不住海水的侵蝕和衝刷。

　　由於材料在海水中不耐久,所以燈塔經常損壞,船隻無法安全航行,迅速發展的航運業遇到重大障礙。為解決航運安全問題,尋找抗海水侵蝕材料和建造耐久的燈塔成為18世紀50年代英國經濟發展中的當務之急。

　　對此英國國會不惜重金,禮聘人才。被尊稱為英國土木之父的工程師史密頓(J.Smeaton)應聘承擔建設燈塔的任務。

1756年史密頓在建造燈塔的過程中,研究了“石灰-火山灰-砂子”三組分砂漿中不同石灰石對砂漿性能的影響,發現含有黏土的石灰石,經煆燒和細磨處理後,加水製成的砂漿能慢慢硬化,在海水中的強度較“羅馬砂漿”高得多,能耐海水的衝刷。史密頓使用新發現的砂漿建造了舉世聞名的普利茅斯港的漩岩(Eddys-tone)大燈塔。

用含黏土石灰石製成的石灰被稱為水硬性石灰。斯密頓的這一發現是水泥發明過程中知識積累的一大飛躍,不僅對英國航海業作出了貢獻,也對“波特蘭水泥”的發明起到了重要作用。

　　然而,史密頓研究成功的水硬性石灰,並未獲得廣泛應用,當時大量使用的仍是由石灰、火山灰和砂子組成的“羅馬砂漿”。

羅馬水泥1796年,英國人派克(J.Parker)將稱之為SepaTria的黏土質石灰岩,磨細後製成料球,在高於燒石灰的溫度下煆燒,然後進行磨細製成水泥。派克稱這種水泥為“羅馬水泥”(RomanCement),並取得了該水泥的專利權。

　　“羅馬水泥”凝結較快,可用於與水接觸的工程,在英國曾得到廣泛應用,一直沿用到被“波特蘭水泥”所取代。

差不多在“羅馬水泥”產生的同時期,法國人采用Boulogne地區的化學成份接近現代水泥成分的泥灰岩也製造出水泥。這種與現代水泥化學成分接近的天然泥灰岩稱之為水泥灰岩,用此灰岩製成的水泥則稱為天然水泥。

　　美國人用Rosendale和Louisville地區的水泥灰岩也製成了天然水泥。在19世紀80年代及以後的很長一段時間裏,天然水泥在美國得到廣泛應用,在建築業中曾占很重要的地位。

英國水泥英國人福斯特(J.Foster)是一位致力於水泥的研究者。他將兩份重量白堊和一份重量黏土混和後加水濕磨成泥漿,送入料槽進行沉澱,置沉澱物於大氣中幹燥,然後放入石灰窯中煆燒,溫度以料子中碳酸氣完全揮發為準,燒成產品呈淺黃色,冷卻後細磨成水泥。福斯特稱該水泥為“英國水泥”(BritishCement),於1822年10月22日獲得英國第4679號專利。

“英國水泥”由於煆燒溫度較低,其質量明顯不及“羅馬水泥”,所以售價較低,銷售量不大。這種水泥雖然未能被大量推廣,但其製造方法已是近代水泥製造的雛型,是水泥知識積累中的又一次重大飛躍。福斯特在現代水泥的發明過程中也是有貢獻的。

波特蘭水泥(矽酸鹽水泥)1824年10月21日,英國利茲(Leeds)城的泥水匠阿斯普丁(J.As-pdin)獲得英國第5022號的“波特蘭水泥”專利證書,從而一舉成為流芳百世的水泥發明人。

他的專利證書上敘述的“波特蘭水泥”製造方法是:“把石灰石搗成細粉,配合一定量黏土,摻水後以人工或機械攪和均勻成泥漿。置泥漿於盤上,加熱幹燥。將幹料打擊成塊,然後裝入石灰窯煆燒,燒至石灰石內碳酸氣全部逸出。煆燒後的燒塊再將其冷卻和打碎磨細,製成水泥。使用水泥時加入少量水分,拌和成適當稠度的砂漿,可應用於各種不同的工作場合。”

該水泥水化硬化後的顏色類似英國波特蘭地區建築用石料的顏色,所以被稱之為“波特蘭水泥”。

阿斯普丁在英國的Wakefield建設了第一個波特蘭水泥廠。後來,他的兒子在英國的Grateshead又建設一個廠,1856年在德國再建設一個廠,並在那裏度過了他的晚年。

阿斯普丁父子長期對“波特蘭水泥”生產方法保密,采取了各種保密措施:在工廠周圍建築高牆,未經他們父子許可,任何人不得進入工廠;工人不準到自己工作崗位以外的地段走動;為製造假象,經常用盤子盛著硫酸銅或其他粉料,在裝窯時將其撒在幹料上。

阿斯普丁專利證書上所敘述的“波特蘭水泥”製造方法,與福斯特的“英國水泥”並無根本差別,煆燒溫度都是以物料中碳酸氣完全揮發為準。

　　根據水泥生產一般常識,在該溫度條件下製成的“波特蘭水泥”,其質量不可能優於“英國水泥”。然而在市場上“波特蘭水泥”的競爭力大於“英國水泥”。

　　1838年重建泰晤士河隧道工程時,“波特蘭水泥”價格比“英國水泥”要高很多,但業主還是選用了“波特蘭水泥”。

　　很明顯,阿斯普丁出於保密原因在專利證書上並未把“波特蘭水泥”生產技術都寫出來,他實際掌握的水泥生產知識比專利證書上表明的要多。阿斯普丁在工廠生產中一定采用過較高煆燒溫度,否則水泥硬化後不會具有波特蘭地區石料那樣的顏色,其產品也不可能有那樣高的競爭力。

不過,根據專利證書所載內容和有關資料,阿斯普丁未能掌握“波特蘭水泥”確切的燒成溫度和正確的原料配比,因此他的工廠生產出的產品質量很不穩定,甚至造成有些建築物因水泥質量問題而倒塌。

在英國,與阿斯普丁同一時代的另一位水泥研究天才是強生(I.C.Johnson)。他是英國天鵝穀懷特公司經理,專門製造“羅馬水泥”和“英國水泥”。

　　1845年,強生在實驗中一次偶然的機會發現,煆燒到含有一定數量玻璃體的水泥燒塊,經磨細後具有非常好的水硬性。另外還發現,在燒成物中含有石灰會使水泥硬化後開裂。

　　根據這些意外的發現,強生確定了水泥製造的兩個基本條件:

　　第一是燒窯的溫度必須高到足以使燒塊含一定量玻璃體並呈黑綠色;

　　第二是原料比例必須正確而固定,燒成物內部不能含過量石灰,水泥硬化後不能開裂。這些條件確保了“波特蘭水泥”質量,解決了阿斯普丁無法解決的質量不穩定問題。從此,現代水泥生產的基本參數已被發現。

　　1909年,強生98歲高齡時,向英國政府提出申訴,說他於1845年製成的水泥才是真正的“波特蘭水泥”,阿斯普丁並未做出質量穩定的水泥,不能稱他為“波特蘭水泥”的發明者。

　　然而,英國政府沒有同意強生的申訴,仍舊維持阿斯普丁具有“波特蘭水泥”專利權的決定。英國和德國的同行們對強生的工作有很高評價,認為他對“波特蘭水泥”的發明作出了不可磨滅的重要貢獻。

世紀的歐洲發生了人類曆史上第一次工業革命,推動了西方各國社會經濟的迅猛向前,建築膠凝材料的發展步伐也隨之加快。

　　西方國家在“羅馬砂漿”的基礎上,1756年發現水硬性石灰;1796年發明“羅馬水泥”,以及類似的天然水泥;

　　1822年出現“英國水泥”;

　　1824年英國政府發布第一個“波特蘭水泥”專利。

　　當代建築糧食---“波特蘭水泥”(矽酸鹽水泥)就這樣在西方徐徐誕生,同時踏上不斷改進的征途。