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建筑膠凝材料中水泥的發展歷史

發布時間:2014年11月03日   來源:網絡   作者:吳銘生

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筑未經煅燒的土磚。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筑物不耐水,經不住雨淋和河水沖刷,但在干燥地區可保存許多年。

大約在公元前3000年到2000年間,古埃及人開始采用煅燒石膏作建筑膠凝材料,埃及古金字塔的建造中使用了煅燒石膏。公元前30年,埃及并入羅馬帝國版圖之前,古埃及人都是使用煅燒石膏來砌筑建筑物。

古希臘人與埃及人不同,在建筑中所用膠凝材料是將石灰石經煅燒后而制得的石灰。公元前146年,羅馬帝國吞并希臘,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,然后用此砂漿砌筑建筑物。采用石灰砂漿的古羅馬建筑,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面較“石灰-砂子”的二組分砂漿都有很大改善,用其砌筑的普通建筑和水中建筑都較耐久。有人將“石灰-火山灰-砂子”三組分砂漿稱之為“羅馬砂漿”。

羅馬人制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,用它砌筑各種建筑。

在歐洲建筑史上,“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,砂漿采用的石灰是煅燒不良的石灰石塊,碎磚也不磨細,質量很差。到公元第12、13和14世紀這段時期,石灰煅燒質量逐漸好轉,碎磚和火山灰也已磨細,“羅馬砂漿”質量恢復到原來的水平。

一.中國古代的建筑膠凝材料

中國建筑膠凝材料的發展有著自己特有的一個很長的歷史過程。

白灰面

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“白灰面”涂抹山洞、地穴的地面和四壁,使其變得光滑和堅硬?!鞍谆颐妗币虺拾咨勰疃妹?它由天然姜石磨細而成。姜石是一種含二氧化硅較高的石灰石塊,常夾雜在黃土中,是黃土中的鈣質結核?!鞍谆颐妗笔侵两癖话l現的中國古代最早的建筑膠凝材料。

黃泥漿

公元前16世紀的商代,地穴建筑迅速向木結構建筑發展,此時除繼續用“白灰面”抹地以外,開始采用黃泥漿砌筑土坯墻。在公元前403年至公元前221年的戰國時代,出現用草拌黃泥漿筑墻,還用它在土墻上襯砌墻面磚。在中國建筑史上,“白灰面”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制而成。蛤殼主要成份是碳酸鈣,將它煅燒到碳酸氣全部逸出即成石灰?!蹲髠鳌分杏杏涊d:“成公二年(即公元前635年)八月宋文公卒始厚葬用蜃灰”。蜃灰就是用蛤殼燒制而成的石灰材料,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筑陵墓等。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,在中國歷史上流傳了很長時間。

到秦漢時代,除木結構建筑外,磚石結構建筑占重要地位。磚石結構須用優良性能的膠凝材料進行砌筑,這就促使石灰制造業迅速發展,紛紛采用各地都能采集到的石灰石燒制石灰,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制成石灰漿體,然后用漿體砌筑條石、磚墻和磚石拱券,以及粉刷墻面。在漢代,石灰的應用已很普遍,采用石灰砌筑的磚石結構能建造多層樓閣。

中國萬里長城修筑于公元前7世紀至公元17世紀,先后有20多個朝代主持和參與建造。秦、漢、明三個朝代修筑最長,在總長5萬公里的長城中修筑了5000余公里。在這三個朝代,石灰膠凝材料已發展到較高水平,大量用于修建長城。所以,長城的許多地段,后人發現它是用石灰砌筑而成的。

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制工藝與石灰性能之間的關系。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。

在公元5世紀的中國南北朝時代,出現一種名叫“三合土”的建筑材料,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?!叭贤痢迸c古羅馬的三組分砂漿,即“羅馬砂漿”有許多類似之處。

“三合土”自問世后一般用作地面、屋面、房基和地面墊層?!叭贤痢苯浐粚嵑蟛粌H具有較高的強度,還有較好的防水性,在清代還將它用于夯筑水壩。

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”,這是一個很有趣的歷史巧合。

石灰摻有機物的膠凝料中國古代建筑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,秦代修筑長城的工程中,采用糯米汁砌筑磚石??脊虐l現,南北朝時期的河南鄧縣的畫像磚墻是用含有淀粉的膠凝料襯砌;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淀粉的石灰作膠凝料?!端螘酚涊d,公元1170年南宋乾道六年修筑和州城,“其城壁表里各用磚灰五層包砌,糯米粥調灰鋪砌城面兼樓櫓,委皆雄壯,經久堅固?!泵鞔拗哪暇┏鞘鞘澜缟弦幠W畲蟮拇u石城垣,以條石為基,上筑夯土,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制成的膠凝料,其粘結性非常好,常用于修補假山石,至今在古建筑修繕中仍在沿用。

用有機物拌和“三合土”作建筑物的工法,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,經筑堅固,永不隳壞,名曰三合土”。在中國建筑史上看到,清康熙乾隆年間,北京蘆溝橋南北岸,用糯米汁拌“三合土”建筑河堤數里,使北京南郊從此免去水患之災。在石橋建筑史中記載,用糯米和牛血拌“三合土”砌筑石橋,凝固后與花崗石一樣堅固。糯米汁拌“三合土”的建筑物非常堅硬,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。

中國歷史悠久,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”。中國古代建筑膠凝材料發展的進程是,從“白灰面”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。從這段歷史進程可以得出與科學史學家李約瑟相似的結論,中國古代建筑膠凝材料有過自己輝煌的歷史,在與西方古代建筑膠凝材料基本同步發展的過程中,由于廣泛采用石灰與有機物相結合的膠凝料而顯得略高一籌。

二.世界水泥發展歷史

從廣義而言,水泥泛指一切能夠硬化的無機膠凝材料;狹義而言的水泥則專指現代水泥,即具有水硬性的膠凝材料。水泥起源于膠凝材料,是在膠凝材料的發展過程中逐漸演變和發明的。膠凝材料:即膠結料。它是指在物理、化學作用下,能把漿體變成堅固石狀體,并能膠結其他物料而具有一定機械強度的物質。膠凝材料分有機和無機膠凝材料兩大類。瀝青和各種樹脂屬于有機膠凝材料;無機膠凝材料又分為水硬性和非水硬性兩種。非水硬性膠凝材料拌水后只能在空氣中硬化而不能在水中硬化,如石膏、石灰等;水硬性膠凝材料拌水后既能在空氣中硬化又能在水中硬化。水泥是水硬性膠凝材料。

1824年10月21日英國人阿斯普丁發明水泥,因外觀和當時常用于建筑中的應該波特蘭島上出產的巖石相似,稱之為“波特蘭水泥”;

1825-1843年水泥首次大規模使用在泰晤士河隧道工程;

1877年回轉窯水泥熟料獲得專利;

1910年實現機立窯機械化連續生產;

1928年發明帶回轉爐篦子的“立波爾窯”;

1950年發明懸浮余熱器窯;

1971年發明窯外分解窯,新型干法水泥生產技術形成;

三.中國水泥發展歷史

1889年第一家水泥廠是建于河北唐山的唐山細棉土廠(后改為啟新洋灰公司、現為啟新水泥廠);

1889—1937年先后建設大連、中國、上海,四川,重慶等水泥廠,是我們水泥工業發展的萌芽及早期發展階段;

1937—1949年建設了哈爾濱、琉璃河等十余個新廠,但是由于戰亂,水泥工業發展處于衰落期;

1949年后水泥工業才進入發展期;

50—60年代改擴建了32個重點大中型濕法和半干法立波爾窯生產企業,小立窯發展蓬勃;

70—80年代我們自行設計的小規模窯外分解(2000t以下)相繼投產,水泥工業水平有教大提高

1978年后相繼從國外引進2000t-4000t預分解生產線,不僅改善了水泥工業的生產結構,而且在工廠設計、管理與設備改造等方面得到了借鑒,迅速提高我國的新型干法生產水平;機立窯生產因符合當時的國情而迅速發展,產能一度占總產能的80%以上??偖a能位居世界前列,進入水泥大國的行列,但不是水泥強國。原因在于:立窯比重太高、大中型數量少、高標號水泥產量比例低、裝備及從業人員技術水平低等。

90年代后水泥工業進行產業結構調整、增大大型新型干法窯的比重,限制、淘汰、改造提高小立窯、加快水泥工業技術進步,向水泥強國轉化。

水泥的品種有通用水泥七個品種,12個水泥單元系列,特種水泥16個品種,水泥品種單元系列達到41個。

全國水泥年產量從1949年的66萬噸,提升到了2014年的24億噸,三十年來產量一直是世界第一生產國;占世界水泥40億噸的60%;新型水泥生產線1714條,設計熟料產能17億噸;中國水泥經過了不平凡的發展道路,從簡單的土法生產,模仿國外設備生產線到現在的新型生產線。凝聚了無數水泥人的心血和智慧,同時也說明見證了了中國突飛猛進的發展。

 縱觀中國水泥的發展歷史,凝聚了中國老一輩水泥科技工作者的心血,特別是中國建筑材料研究院以及其他研究設計院,在吸收消化國外技術的同時,做了大量的嘗試性試驗工作,滿足了不同工程性能要求的品種,水泥標準已經達到了國際前沿,有些指標甚至更嚴格于歐美國家。

近幾年來,水泥的發展已經達到了一個頂峰時期,部分地區的產能嚴重過剩。特別是西南地區的四川省2013年達到了156家1.5億噸。而樂山市的設計產能15家超過了2000萬噸,居四川省之首。產量的嚴重過剩帶來的是行業的無序競爭,過度的生產造成稀缺資源的浪費。

近年來國家出臺了一系列相關的政策法規,鼓勵企業重新整合,調整生產結構,支持循環經濟綜合利用的生產線建設。綜合利用工業廢渣,實現節能減排綜合利用的目的。

永祥水泥的建設也是基于利用工業廢渣,發展循環經濟綜合利用這一目的,每年消耗工業廢渣40萬噸,生產的水泥全部達到了資源綜合利用30%的要求。

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