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建筑胶凝材料中水泥的发展历史

发布时间:2014年11月03日   来源:网络   作者:吴铭生

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。

一.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。

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。

二.世界水泥发展历史

从广义而言,水泥泛指一切能够硬化的无机胶凝材料;狭义而言的水泥则专指现代水泥,即具有水硬性的胶凝材料。水泥起源于胶凝材料,是在胶凝材料的发展过程中逐渐演变和发明的。胶凝材料:即胶结料。它是指在物理、化学作用下,能把浆体变成坚固石状体,并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质。胶凝材料分有机和无机胶凝材料两大类。沥青和各种树脂属于有机胶凝材料;无机胶凝材料又分为水硬性和非水硬性两种。非水硬性胶凝材料拌水后只能在空气中硬化而不能在水中硬化,如石膏、石灰等;水硬性胶凝材料拌水后既能在空气中硬化又能在水中硬化。水泥是水硬性胶凝材料。

1824年10月21日英国人阿斯普丁发明水泥,因外观和当时常用于建筑中的应该波特兰岛上出产的岩石相似,称之为“波特兰水泥”;

1825-1843年水泥首次大规模使用在泰晤士河隧道工程;

1877年回转窑水泥熟料获得专利;

1910年实现机立窑机械化连续生产;

1928年发明带回转炉篦子的“立波尔窑”;

1950年发明悬浮余热器窑;

1971年发明窑外分解窑,新型干法水泥生产技术形成;

三.中国水泥发展历史

1889年第一家水泥厂是建于河北唐山的唐山细棉土厂(后改为启新洋灰公司、现为启新水泥厂);

1889—1937年先后建设大连、中国、上海,四川,重庆等水泥厂,是我们水泥工业发展的萌芽及早期发展阶段;

1937—1949年建设了哈尔滨、琉璃河等十余个新厂,但是由于战乱,水泥工业发展处于衰落期;

1949年后水泥工业才进入发展期;

50—60年代改扩建了32个重点大中型湿法和半干法立波尔窑生产企业,小立窑发展蓬勃;

70—80年代我们自行设计的小规模窑外分解(2000t以下)相继投产,水泥工业水平有教大提高

1978年后相继从国外引进2000t-4000t预分解生产线,不仅改善了水泥工业的生产结构,而且在工厂设计、管理与设备改造等方面得到了借鉴,迅速提高我国的新型干法生产水平;机立窑生产因符合当时的国情而迅速发展,产能一度占总产能的80%以上。总产能位居世界前列,进入水泥大国的行列,但不是水泥强国。原因在于:立窑比重太高、大中型数量少、高标号水泥产量比例低、装备及从业人员技术水平低等。

90年代后水泥工业进行产业结构调整、增大大型新型干法窑的比重,限制、淘汰、改造提高小立窑、加快水泥工业技术进步,向水泥强国转化。

水泥的品种有通用水泥七个品种,12个水泥单元系列,特种水泥16个品种,水泥品种单元系列达到41个。

全国水泥年产量从1949年的66万吨,提升到了2014年的24亿吨,三十年来产量一直是世界第一生产国;占世界水泥40亿吨的60%;新型水泥生产线1714条,设计熟料产能17亿吨;中国水泥经过了不平凡的发展道路,从简单的土法生产,模仿国外设备生产线到现在的新型生产线。凝聚了无数水泥人的心血和智慧,同时也说明见证了了中国突飞猛进的发展。

 纵观中国水泥的发展历史,凝聚了中国老一辈水泥科技工作者的心血,特别是中国建筑材料研究院以及其他研究设计院,在吸收消化国外技术的同时,做了大量的尝试性试验工作,满足了不同工程性能要求的品种,水泥标准已经达到了国际前沿,有些指标甚至更严格于欧美国家。

近几年来,水泥的发展已经达到了一个顶峰时期,部分地区的产能严重过剩。特别是西南地区的四川省2013年达到了156家1.5亿吨。而乐山市的设计产能15家超过了2000万吨,居四川省之首。产量的严重过剩带来的是行业的无序竞争,过度的生产造成稀缺资源的浪费。

近年来国家出台了一系列相关的政策法规,鼓励企业重新整合,调整生产结构,支持循环经济综合利用的生产线建设。综合利用工业废渣,实现节能减排综合利用的目的。

永祥水泥的建设也是基于利用工业废渣,发展循环经济综合利用这一目的,每年消耗工业废渣40万吨,生产的水泥全部达到了资源综合利用30%的要求。

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