水泥的发明

水泥的发明

水泥是建筑用胶凝材料,按化学组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥三大类。硅酸盐水泥是普遍常用的水泥,又称波特兰水泥,铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥是特种用途的水泥,本文讲述的是硅酸盐水泥的发明。

有人喜称水泥为建筑的粮食,在人类文明中占有重要地位。现在,全世界水泥产量已达20亿吨,是现代社会不可或缺的大宗产品。

水泥的发明是人类在长期生产实践中不断积累的结果,是在古代建筑胶凝材料的基础上发展起来的,经历了一个漫长的历史过程。

西方古代的建筑胶凝材料

在水泥发明前的数千年岁月中,西方最初采用黏土作胶凝材料。古埃及人采用尼罗河的泥浆砌筑未经煅烧的土砖。为增加强度和减少收缩,在泥浆中还掺入砂子和草。用这种泥土建造的建筑物不耐水,经不住雨淋和河水冲刷,但在干燥地区可保存许多年。

大约在公元前3000年到2000年间,古埃及人开始采用煅烧石膏作建筑胶凝材料,埃及古金字塔的建造中使用了煅烧石膏。公元前30年,埃及并入罗马帝国版图之前,古埃及人都是使用煅烧石膏来砌筑建筑物。

古希腊人与埃及人不同,在建筑中所用胶凝材料是将石灰石经煅烧后而制得的石灰。公元前146年,罗马帝国吞并希腊,同时继承了希腊人生产和使用石灰的传统。罗马人使用石灰的方法是先将石灰加水消解,与砂子混和成砂浆,然后用此砂浆砌筑建筑物。采用石灰砂浆的古罗马建筑,其中有些非常坚固,甚至保留到现在。

古罗马人对石灰使用工艺进行过改进,在石灰中不仅掺砂子,还掺磨细的火山灰,在没有火山灰的地区,则掺入与火山灰具有同样效果的磨细碎砖。这种砂浆在强度和耐水性方面较“石灰-砂子”的二组分砂浆都有很大改善,用其砌筑的普通建筑和水中建筑都较耐久。有人将“石灰-火山灰-砂子”三组分砂浆称之为“罗马砂浆”。

罗马人制造砂浆的知识传播较广。在古代法国和英国都曾普遍采用这种三组分砂浆,用它砌筑各种建筑。

在欧洲建筑史上,“罗马砂浆”的应用延续了很长时间。不过,在公元第9、10和11世纪,该砂浆技术几乎失传。在这漫长的岁月中,砂浆采用的石灰是煅烧不良的石灰石块,碎砖也不磨细,质量很差。到公元第12、13和14世纪这段时期,石灰煅烧质量逐渐好转,碎砖和火山灰也已磨细,“罗马砂浆”质量恢复到原来的水平。

中国古代的建筑胶凝材料中国建筑胶凝材料的发展有着自己特有的一个很长的历史过程。

“白灰面”

早在公元前5000到3000年的新石器时代的仰韶文化时期,就有人用“白灰面”涂抹山洞、地穴的地面和四壁,使其变得光滑和坚硬。“白灰面”因呈白色粉末状而得名,它由天然姜石磨细而成。姜石是一种含二氧化硅较高的石灰石块,常夹杂在黄土中,是黄土中的钙质结核。“白灰面”是至今被发现的中国古代最早的建筑胶凝材料。

黄泥浆公元前16世纪的商代,地穴建筑迅速向木结构建筑发展,此时除继续用“白灰面”抹地以外,开始采用黄泥浆砌筑土坯墙。

　　在公元前403年至公元前221年的战国时代,出现用草拌黄泥浆筑墙,还用它在土墙上衬砌墙面砖。在中国建筑史上,“白灰面”很早就被淘汰,而黄泥浆和草拌黄泥浆作为胶凝材料则一直沿用到现代社会。

石灰公元前7世纪的周朝出现石灰,周朝的石灰是用大蛤的外壳烧制而成。蛤壳主要成份是碳酸钙,将它煅烧到碳酸气全部逸出即成石灰。

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

　　蜃灰就是用蛤壳烧制而成的石灰材料,在周朝就已发现它具有良好的吸湿防潮性能和胶凝性能。

　　在崇尚厚葬的古代,在墓葬中将蜃灰用作吸湿防潮材料,以图长期保存墓葬物;在墓穴建造中将蜃灰作为胶凝材料来修筑陵墓等。

　　在明代《天工开物》一书中有“烧砺房法的图示”,这说明蜃灰的生产和使用,自周朝开始到明代仍未失传,在中国历史上流传了很长时间。

到秦汉时代,除木结构建筑外,砖石结构建筑占重要地位。砖石结构须用优良性能的胶凝材料进行砌筑,这就促使石灰制造业迅速发展,纷纷采用各地都能采集到的石灰石烧制石灰,石灰生产点应运而生。

　　那时,石灰的使用方法是先将石灰与水混和制成石灰浆体,然后用浆体砌筑条石、砖墙和砖石拱券,以及粉刷墙面。在汉代,石灰的应用已很普遍,采用石灰砌筑的砖石结构能建造多层楼阁。

中国万里长城修筑于公元前7世纪至公元17世纪,先后有20多个朝代主持和参与建造。秦、汉、明三个朝代修筑最长,在总长5万公里的长城中修筑了5000余公里。

　　在这三个朝代,石灰胶凝材料已发展到较高水平,大量用于修建长城。所以,长城的许多地段,后人发现它是用石灰砌筑而成的。

明代《天工开物》一书中还详细记载了石灰的生产方法。清代《营造法原》一书中则记载了石灰烧制工艺与石灰性能之间的关系。

　　这些记载说明我国到明、清年代就已积累了较为丰富的石灰生产和使用知识。

“三合土”

在公元5世纪的中国南北朝时代,出现一种名叫“三合土”的建筑材料,它由石灰、黏土和细砂所组成。

　　到明代,有石灰、陶粉和碎石组成的“三合土”。

　　在清代,除石灰、黏土和细砂组成的“三合土”外,还有石灰、炉渣与砂子组成的“三合土”。

　　清代《宫式石桥做法》一书中对“三合土”的配比作了说明:“灰土即石灰与黄土之混合,或谓三合土”;“灰土按四六掺合,石灰四成,黄土六成”。

　　以现代人眼光看,“三合土”也就是以石灰与黄土或其他火山灰质材料作胶凝料、以细砂、碎石或炉渣作填料的混凝土。“三合土”与古罗马的三组分砂浆,即“罗马砂浆”有许多类似之处。

“三合土”自问世后一般用作地面、屋面、房基和地面垫层。“三合土”经夯实后不仅具有较高的强度,还有较好的防水性,在清代还将它用于夯筑水坝。

在欧洲大陆采用“罗马砂浆”的时候,遥远的东方古国???中国也在采用类似“罗马砂浆”的“三合土”,这是一个很有趣的历史巧合。

石灰掺有机物的胶凝料中国古代建筑胶凝材料发展中一个鲜明的特点是采用石灰掺有机物的胶凝材料,如“石灰-糯米”,“石灰-桐油”,“石灰-血料”,“石灰-白芨”,以及“石灰-糯米-明矾”等。另外,在使用“三合土”时,掺入糯米和血料等有机物。

据民间传说,秦代修筑长城的工程中,采用糯米汁砌筑砖石。

　　考古发现,南北朝时期的河南邓县的画像砖墙是用含有淀粉的胶凝料衬砌;河南登封县的少林寺,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,在建造时都采用了掺有淀粉的石灰作胶凝料。

　　《宋会要》记载,公元1170年南宋乾道六年修筑和州城,“其城壁表里各用砖灰五层包砌,糯米粥调灰铺砌城面兼楼橹,委皆雄壮,经久坚固。”

　　明代修筑的南京城是世界上规模最大的砖石城垣,以条石为基,上筑夯土,外砌巨砖,用石灰作胶凝料,在重要部位则用石灰加糯米汁灌浆,城垣上部用桐油和土拌和结顶,非常坚固。

　　采用桐油或糯米汁拌和明矾与石灰制成的胶凝料,其粘结性非常好,常用于修补假山石,至今在古建筑修缮中仍在沿用。

用有机物拌和“三合土”作建筑物的工法,在史料中屡有所见。

　　明代《天工开物》一书中记载:“用以襄墓及贮水池则灰一分入河砂,黄土二分,用糯米、羊桃藤汁和匀,经筑坚固,永不隳坏,名曰三合土”。

　　在中国建筑史上看到,清康熙乾隆年间,北京芦沟桥南北岸,用糯米汁拌“三合土”建筑河堤数里,使北京南郊从此免去水患之灾。

　　在石桥建筑史中记载,用糯米和牛血拌“三合土”砌筑石桥,凝固后与花岗石一样坚固。糯米汁拌“三合土”的建筑物非常坚硬,还有韧性,用铁镐刨时会迸发出火星,有的甚至要用火药才能炸开。

中国历史悠久,在人类文明创造过程中有过辉煌成就,作出过重要贡献。英国著名科学史学家李约瑟在《中国科学技术史》一书中写道:“在公元3世纪到13世纪之间,中国保持着西方国家所望尘莫及的科学知识水平”;“中国的那些发明和发现远远超过同时代的欧洲,特别是在15世纪之前更是如此”。

　　中国古代建筑胶凝材料发展的进程是,从“白灰面”和黄泥浆起步,发展到石灰和“三合土”,进而发展到石灰掺有机物的胶凝材料。

　　从这段历史进程可以得出与科学史学家李约瑟相似的结论,中国古代建筑胶凝材料有过自己辉煌的历史,在与西方古代建筑胶凝材料基本同步发展的过程中,由于广泛采用石灰与有机物相结合的胶凝料而显得略高一筹。

然而,近几个世纪以来中国落后了,尤其是到清朝乾隆年间末期,即18世纪末期以后,科学技术与西方差距愈来愈大。

　　中国古代建筑胶凝材料的发展,到达石灰掺有机物的胶凝材料阶段后就停止不前,未能在此基点上跨出一步。西方古代建筑胶凝材料则在“罗马砂浆”的基础上继续发展,朝着现代水泥的方向不断提高,最终发明水泥。

现代水泥的发明

现代水泥的发明有一个渐进的过程,并不是一蹴而就的。

水硬性石灰18世纪中叶,英国航海业已较发达,但船只触礁和撞滩等海难事故频繁发生。为避免海难事故,采用灯塔进行导航。

　　当时英国建造灯塔的材料有两种:木材和“罗马砂浆”。然而,木材易燃,遇海水易腐烂;“罗马砂浆”虽然有一定耐水性能,但尚经不住海水的侵蚀和冲刷。

　　由于材料在海水中不耐久,所以灯塔经常损坏,船只无法安全航行,迅速发展的航运业遇到重大障碍。为解决航运安全问题,寻找抗海水侵蚀材料和建造耐久的灯塔成为18世纪50年代英国经济发展中的当务之急。

　　对此英国国会不惜重金,礼聘人才。被尊称为英国土木之父的工程师史密顿(J.Smeaton)应聘承担建设灯塔的任务。

1756年史密顿在建造灯塔的过程中,研究了“石灰-火山灰-砂子”三组分砂浆中不同石灰石对砂浆性能的影响,发现含有黏土的石灰石,经煅烧和细磨处理后,加水制成的砂浆能慢慢硬化,在海水中的强度较“罗马砂浆”高得多,能耐海水的冲刷。史密顿使用新发现的砂浆建造了举世闻名的普利茅斯港的漩岩(Eddys-tone)大灯塔。

用含黏土石灰石制成的石灰被称为水硬性石灰。斯密顿的这一发现是水泥发明过程中知识积累的一大飞跃,不仅对英国航海业作出了贡献,也对“波特兰水泥”的发明起到了重要作用。

　　然而,史密顿研究成功的水硬性石灰,并未获得广泛应用,当时大量使用的仍是由石灰、火山灰和砂子组成的“罗马砂浆”。

罗马水泥1796年,英国人派克(J.Parker)将称之为SepaTria的黏土质石灰岩,磨细后制成料球,在高于烧石灰的温度下煅烧,然后进行磨细制成水泥。派克称这种水泥为“罗马水泥”(RomanCement),并取得了该水泥的专利权。

　　“罗马水泥”凝结较快,可用于与水接触的工程,在英国曾得到广泛应用,一直沿用到被“波特兰水泥”所取代。

差不多在“罗马水泥”产生的同时期,法国人采用Boulogne地区的化学成份接近现代水泥成分的泥灰岩也制造出水泥。这种与现代水泥化学成分接近的天然泥灰岩称之为水泥灰岩,用此灰岩制成的水泥则称为天然水泥。

　　美国人用Rosendale和Louisville地区的水泥灰岩也制成了天然水泥。在19世纪80年代及以后的很长一段时间里,天然水泥在美国得到广泛应用,在建筑业中曾占很重要的地位。

英国水泥英国人福斯特(J.Foster)是一位致力于水泥的研究者。他将两份重量白垩和一份重量黏土混和后加水湿磨成泥浆,送入料槽进行沉淀,置沉淀物于大气中干燥,然后放入石灰窑中煅烧,温度以料子中碳酸气完全挥发为准,烧成产品呈浅黄色,冷却后细磨成水泥。福斯特称该水泥为“英国水泥”(BritishCement),于1822年10月22日获得英国第4679号专利。

“英国水泥”由于煅烧温度较低,其质量明显不及“罗马水泥”,所以售价较低,销售量不大。这种水泥虽然未能被大量推广,但其制造方法已是近代水泥制造的雏型,是水泥知识积累中的又一次重大飞跃。福斯特在现代水泥的发明过程中也是有贡献的。

波特兰水泥(硅酸盐水泥)1824年10月21日,英国利兹(Leeds)城的泥水匠阿斯普丁(J.As-pdin)获得英国第5022号的“波特兰水泥”专利证书,从而一举成为流芳百世的水泥发明人。

他的专利证书上叙述的“波特兰水泥”制造方法是:“把石灰石捣成细粉,配合一定量黏土,掺水后以人工或机械搅和均匀成泥浆。置泥浆于盘上,加热干燥。将干料打击成块,然后装入石灰窑煅烧,烧至石灰石内碳酸气全部逸出。煅烧后的烧块再将其冷却和打碎磨细,制成水泥。使用水泥时加入少量水分,拌和成适当稠度的砂浆,可应用于各种不同的工作场合。”

该水泥水化硬化后的颜色类似英国波特兰地区建筑用石料的颜色,所以被称之为“波特兰水泥”。

阿斯普丁在英国的Wakefield建设了第一个波特兰水泥厂。后来,他的儿子在英国的Grateshead又建设一个厂,1856年在德国再建设一个厂,并在那里度过了他的晚年。

阿斯普丁父子长期对“波特兰水泥”生产方法保密,采取了各种保密措施:在工厂周围建筑高墙,未经他们父子许可,任何人不得进入工厂;工人不准到自己工作岗位以外的地段走动;为制造假象,经常用盘子盛着硫酸铜或其他粉料,在装窑时将其撒在干料上。

阿斯普丁专利证书上所叙述的“波特兰水泥”制造方法,与福斯特的“英国水泥”并无根本差别,煅烧温度都是以物料中碳酸气完全挥发为准。

　　根据水泥生产一般常识,在该温度条件下制成的“波特兰水泥”,其质量不可能优于“英国水泥”。然而在市场上“波特兰水泥”的竞争力大于“英国水泥”。

　　1838年重建泰晤士河隧道工程时,“波特兰水泥”价格比“英国水泥”要高很多,但业主还是选用了“波特兰水泥”。

　　很明显,阿斯普丁出于保密原因在专利证书上并未把“波特兰水泥”生产技术都写出来,他实际掌握的水泥生产知识比专利证书上表明的要多。阿斯普丁在工厂生产中一定采用过较高煅烧温度,否则水泥硬化后不会具有波特兰地区石料那样的颜色,其产品也不可能有那样高的竞争力。

不过,根据专利证书所载内容和有关资料,阿斯普丁未能掌握“波特兰水泥”确切的烧成温度和正确的原料配比,因此他的工厂生产出的产品质量很不稳定,甚至造成有些建筑物因水泥质量问题而倒塌。

在英国,与阿斯普丁同一时代的另一位水泥研究天才是强生(I.C.Johnson)。他是英国天鹅谷怀特公司经理,专门制造“罗马水泥”和“英国水泥”。

　　1845年,强生在实验中一次偶然的机会发现,煅烧到含有一定数量玻璃体的水泥烧块,经磨细后具有非常好的水硬性。另外还发现,在烧成物中含有石灰会使水泥硬化后开裂。

　　根据这些意外的发现,强生确定了水泥制造的两个基本条件:

　　第一是烧窑的温度必须高到足以使烧块含一定量玻璃体并呈黑绿色;

　　第二是原料比例必须正确而固定,烧成物内部不能含过量石灰,水泥硬化后不能开裂。这些条件确保了“波特兰水泥”质量,解决了阿斯普丁无法解决的质量不稳定问题。从此,现代水泥生产的基本参数已被发现。

　　1909年,强生98岁高龄时,向英国政府提出申诉,说他于1845年制成的水泥才是真正的“波特兰水泥”,阿斯普丁并未做出质量稳定的水泥,不能称他为“波特兰水泥”的发明者。

　　然而,英国政府没有同意强生的申诉,仍旧维持阿斯普丁具有“波特兰水泥”专利权的决定。英国和德国的同行们对强生的工作有很高评价,认为他对“波特兰水泥”的发明作出了不可磨灭的重要贡献。

世纪的欧洲发生了人类历史上第一次工业革命,推动了西方各国社会经济的迅猛向前,建筑胶凝材料的发展步伐也随之加快。

　　西方国家在“罗马砂浆”的基础上,1756年发现水硬性石灰;1796年发明“罗马水泥”,以及类似的天然水泥;

　　1822年出现“英国水泥”;

　　1824年英国政府发布第一个“波特兰水泥”专利。

　　当代建筑粮食---“波特兰水泥”(硅酸盐水泥)就这样在西方徐徐诞生,同时踏上不断改进的征途。