古代水工建筑物的膠結(jié)技術(shù).doc

學(xué)習(xí)輔助網(wǎng) 水工建筑物用來擋水，因而砌體之間必須用膠結(jié)材料膠合，以減少透水性，降低滲潤線高度，防止管涌等流弊產(chǎn)生；此外，水工建筑物還要抵抗水壓力，以保持建筑物的穩(wěn)定，因此，也需要膠結(jié)材料將砌體聯(lián)綴，形成整體，以提高建筑物抗滑和抗傾覆的穩(wěn)定性?！吧w砌石砌磚，彼此本不相聯(lián)屬，恃有灰漿聯(lián)為一體，所以成其固也蓋灰漿乃石工第一要事。”因而，膠結(jié)材料是保證水工建筑物安全的關(guān)鍵之一，也是水工建筑物較非水工建筑物更多技術(shù)復(fù)雜性的原因。 (一)水硬性石灰 古代常用的膠結(jié)材料是石灰。一般石灰石煅燒后得氣硬性石灰，在水中強(qiáng)度低。水硬性石灰古人常從煅燒蠣殼中獲取。最早使用蠣房灰的記載是北宋嘉祜四年(1059)建造福建泉州洛陽橋(又名萬安橋)時(shí)。洛陽橋建于洛陽江入?？谔帲訉捨謇?，潮水出沒，水深流急，石橋基礎(chǔ)的穩(wěn)固成為建橋的關(guān)鍵技術(shù)問題，因此急需水中膠凝材料。宋人方勺在其所著泊宅編中記載：“閩中無石灰，燒蠣殼為灰故用灰(橋墩)常若新，無纖毫罅隙。”廣東潮州海堤也曾用此技術(shù)：“甃山石，運(yùn)海283問，置陶燒灰，派夫運(yùn)土填筑?！彼裕瑹剖視r(shí)除海礪殼外，還要“置陶”燒灰。這樣就與水泥原料基本相同。不過石灰所需煅燒溫度只要900l100，比水泥所需的燒制溫度(1450)較低。水硬性石灰加沙成漿后，用以砌石，在水中可以繼續(xù)硬化，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)25千克平方厘米。 牡蠣灰膠結(jié)性能早在唐代的文獻(xiàn)中已有記載，例如煮鹽時(shí)用以盛鹽鹵的竹盤，為使其不漏，“竹盤者，以篾細(xì)織，竹鑊表里以牡蠣灰泥之，自收海水煎鹽之，謂之野鹽”。 明末科學(xué)家宋應(yīng)星在其著名的天工開物一書中特別介紹了石灰和蠣灰的制造技術(shù)。石灰是用青色石(石灰石)煅燒而成，方法是“先取煤炭、泥和做成餅，每煤餅一層，疊石一層，鋪薪其底，灼火燔之”，“成質(zhì)之后，入水永劫不壞”。蠣灰制作方法與石灰相同。二者“粘砌城墻橋梁，調(diào)和桐油造舟，功皆相同”，不過蠣灰為蠣殼燒制，蠣房“經(jīng)年久者，長成數(shù)丈，闊則數(shù)畝，崎嶇如石假山形”，其化學(xué)成分與蜆(即蛤蚌)不同?！坝姓`以蜆灰為蠣灰者，不格物之故也”。 (二)蠣房生物膠結(jié) 不僅蠣灰可為膠結(jié)材料，蠣房生長本身就自然形成對(duì)散石的凝結(jié)。在蔡襄主持洛陽橋施工時(shí)，首先沿橋縱軸線拋石，形成一道堆石基礎(chǔ)。如何將散石體固結(jié)呢，當(dāng)時(shí)人注意到海邊的牡蠣可以牢固地附著在船底或礁石上，于是萌生利用生物固結(jié)的想法?！坝址N蠣于礎(chǔ)，令其附生而固”，從而形成一道長三百多丈、寬一丈五尺的穩(wěn)固基礎(chǔ)，再在此石基上砌筑橋墩，成功地完成了建橋任務(wù)。由于蠣房膠結(jié)成為鞏固石橋基礎(chǔ)的關(guān)鍵，橋成以后“即多取蠣房散置石基上，歲久延蔓相粘，基益膠固矣。元豐初，王祖道知州，立法，輒取蠣者徒二年”，嚴(yán)格立法，禁止在橋基一帶采蠣。 清?徐端：安瀾紀(jì)要卷上，第61頁。 乾隆潮州府志?堤防。 唐?劉恂：嶺表錄異，廣東人民出版社，1983年，第37頁。 明?宋應(yīng)星：天工開物卷11，燔石，萬有文庫本，第197頁。 明?宋應(yīng)星：天工開物卷11，燔石，萬有文庫本，第198頁。 明?仇俊卿：重修洛陽橋記，明文海卷384，中華書局影印本，第3971頁，1987年。 宋?方勺：泊白宅編卷中，金華叢書本。 (三)火山灰黏合劑 古羅馬時(shí)代不僅已使用石灰漿作建筑黏結(jié)劑，而且還在建筑工程中應(yīng)用火山石灰。這種火山灰拌和，“不僅可使其他建筑物堅(jiān)固，而且在海中筑堤時(shí)，也可在水下硬化”。 明代末年徐光啟注意到西方的一種似土非土、似石非石的塊體，磨碎后可作黏結(jié)劑，該塊體“體質(zhì)甚輕，揉之成粉，舂以代砂，或代瓦屑?；抑谄淇罩校鹣嗳?。堅(jiān)凝之后，逾于銅鐵”。他并舉出實(shí)例，認(rèn)為幾十年前有人發(fā)掘舊有水道，“視其甃涂之灰，用是物也，厚半寸許耳”。推斷其建筑時(shí)代在漢武帝時(shí)期，而在一兩千年之后仍然堅(jiān)牢無比。 (四)水泥的引進(jìn) 黃河河工應(yīng)用水泥作膠結(jié)材料最早始于光緒十四年(1888)，當(dāng)年河道總督吳大澄提出：“臣訪聞西洋各國有塞門德土，拌沙粘合，不患水浸，較諸中國所用三合土尤為堅(jiān)結(jié)擬于(黃河險(xiǎn)工)磚面石縫試用外洋塞門德土涂灌結(jié)實(shí)，斂散為整，可使壩基做成一片，足以抵擋河溜?！碑?dāng)年從旅順調(diào)運(yùn)3000桶，又在上海、香港加購600桶使用。 水工砌石砌磚建筑物的膠結(jié)技術(shù)在古代大致可分為膠結(jié)材料和金屬固結(jié)兩類。 (一)膠結(jié)材料的應(yīng)用技術(shù) 元代稱石工膠結(jié)材料為石膠。在修濟(jì)州會(huì)源閘的施工中“爰琢爰*，犬牙相入，直以白麻，固以石膠，關(guān)以勁鐵”，記述了砌石工的主要施工環(huán)節(jié)。 1砌石砌磚灰漿及其配比 古羅馬的建筑師維特魯威(Vitruvii)在其編著建筑十書時(shí)已對(duì)由石灰、沙、水相調(diào)合的膠結(jié)材料的配比和做法有詳細(xì)的總結(jié)。例如： 對(duì)于沙，他認(rèn)為新采的山沙砌墻用時(shí)最好，但用于墻面抹灰則容易出現(xiàn)裂紋。河沙一般認(rèn)為顆料太細(xì)，而海沙抹灰時(shí)，墻面會(huì)析出鹽分甚至使表面剝落。 對(duì)于石灰能在灰漿中起凝結(jié)作用的原理，作者從物理角度做了一些推測(cè)。 對(duì)于沙灰比，作者認(rèn)為用山沙時(shí)，三份沙一份石灰較好；用河沙或海沙，則應(yīng)二份沙和一份石灰。在用河沙時(shí)，如果摻入三分之一的壓碎過篩的瓦屑就更好。做蓄水池時(shí)，應(yīng)使用二份石灰和五份沙，并用木鐵制的夯將底部和四周夯實(shí)。而我國傳統(tǒng)的筑蓄水池的配比是：石灰一份加河沙黃土二份，用糯粳米羊桃藤汁和勻，輕筑堅(jiān)固。其法與西洋同。 維特魯威著，高履泰譯：建筑十書，中國建筑工業(yè)出版社，1986年，第40頁。 明?徐光啟：農(nóng)政全書卷20，上海古籍出版社，1979年，第505頁。 再續(xù)引水金鑒卷126，引東華錄，國學(xué)基本叢書，第3299頁。 元?揭俁斯：揭文安公全集卷12，重修濟(jì)州會(huì)源閘碑，舊部叢刊本。 維特魯威著，高履泰譯：建筑十書，中國建筑工業(yè)出版社，1986第，第39440頁。第193頁。 明?宋應(yīng)星：天工開物第11卷，萬有文庫本，第197頁。 2砌體灌縫之灰漿 徐光啟(15621633)稱砌筑之灰漿為甃齊，而灌縫之灰漿為筑齊。甃齊灰沙比一般為1:2。而灌縫之灰漿需另外加水，以提高其流動(dòng)性。清代河工灌漿施工更加具體。砌石一層并砌石之后的河磚安砌完畢，再填夯磚后灰土三尺。待砌石、砌磚、灰土砌筑完畢，即開始灌灰漿?；覞{灌足后，略微吹晾稍干，再繼續(xù)向上層砌筑。灌漿必須層砌層灌，不得砌石兩三層后再灌，以保證灌漿飽足。 灌漿多以糯米汁和石灰熬煮。每石糯米汁加石灰一二斤，“實(shí)乃稠膩之良法”。在米汁中還要適當(dāng)加少許鹽醬，加鹽醬后，聯(lián)綴砌石的鐵鋦、鐵錠容易生銹，有利于石鐵之間的固結(jié)。 3填塞砌石縫隙的灰漿 水工建筑物長期經(jīng)水流淘刷，砌縫處膠結(jié)物難免脫落，因此必須隨時(shí)維修。浙江紹興之三江閘，在明代使用羊毛紙筋灰填縫。制作方法是：用極細(xì)竹籮將石灰過篩，然后加入彈碎之羊毛，逐漸在其中摻加紙筋水杵搗使熟。紙筋水是取制作紙傘的凈白桃花紙邊加水浸泡，再取藤藜青枝搗爛，取其汁加入紙筋水內(nèi)，攪拌充分備用。紙筋灰杵搗至均勻黏稠，用竹簽填入砌石縫內(nèi)，再用油松木削成與漏眼相應(yīng)粗細(xì)，將油松木敲入縫內(nèi)，齊石邊鋸平，其外再填補(bǔ)好灰即可。 清代又有用油灰填塞砌石縫隙者。油灰例來用于膩船板縫隙，清代用于河工。油灰制作配比是，每石灰一斗二升，加入桐油七斤。做法是：“每灰一升，入油二兩，舂至膠黏如氈，逐漸加油與灰，尤需練透，以木簽挑試，灰凝絲豎為度”。黃河河工上制作油灰，也有用輾加工者，“貯細(xì)石灰凈桐油于槽內(nèi)，務(wù)使油灰成膠為度?！?(二)金屬固結(jié)技術(shù) 古代砌石體的聯(lián)綴，除砌石塊體間施加膠合灰漿外，還有用鐵錠、鐵鋦勾連牽拌，或用鐵汁、錫汁灌縫等做法。 1生鐵錠和熟鐵鋦、鐵柱 生鐵錠用于“兩石接縫處所，必須鑿槽安扣鐵錠，俾兩石交相扣接，塊塊聯(lián)絡(luò)，不致被水沖揭。鐵錠一般長六寸五分，兩頭寬二寸六分，腰寬一寸六分，厚二寸，重十二三斤”。目前所見水工砌石用鐵錠的最早記載是宋代建隆二年(961)。當(dāng)年在洛水上建石橋，“甃巨石為腳，高數(shù)丈，銳其前以疏水勢(shì)。石縱縫以鐵鼓絡(luò)之，其制甚固”。元統(tǒng)二年(1334)吉當(dāng)普在維修都江堰時(shí)，“諸堰皆甃以石，范鐵以關(guān)其中，取桐實(shí)之油，和石灰、雜麻絲而搗之使熟，以苴罅漏”。 明?徐光啟：農(nóng)政全書卷20，上海古籍出版社，1979年，第507頁。 清?徐端：安瀾紀(jì)要卷上，第61頁。 清?李世祿：修防瑣志卷12，水利珍本叢書本，第233頁。 清?三江閘務(wù)全書續(xù)刻卷2，物料，同治九年刻本，第18頁。 清?麟慶：河工器具圖說卷2，萬有文庫本，第162頁。 章晉墀，王喬年，河工要義，光緒三十四年永定河工研究所鉛印本，第49頁。 宋史?河渠志四，二十五史河渠志注釋本，第125頁。 元史?河渠志三，二十五史河渠志注釋本，第313頁。 鐵柱和鐵鋦均為熟鐵打造。鐵柱用于兩層石料之間，直徑一二寸。鐵鋦用于相鄰兩石料之間側(cè)面的聯(lián)結(jié)，用扁方鐵攀穿入牽拉。清代江南海塘上鐵鋦又稱鐵肖，安放位置從料石表面移至里面。光緒三年(1877)一度引進(jìn)西洋鉆孔機(jī)械作石孔加工。 2灌鐵汁、錫汁 灌鐵汁、錫汁以彌合砌石縫隙的做法，起源較早，唐代太和年間(827835)興建的浙江鄞縣它山堰，在宋代崇寧二年(1103)維修時(shí)就曾“易土以石，冶鐵而固之”。濱海的紹興三江閘于萬歷十二年(1584)第一次大修時(shí)，因閘墻砌石間隙分離漸大，就曾采用灌錫汁彌縫的做法。清代人對(duì)灌鐵汁和灌錫汁的優(yōu)劣有所比較，認(rèn)為：“鐵溶緩而流滯，入罅或不透，且歷久必朽，其得用則遜錫遠(yuǎn)矣。”灌錫的方法是：“有深大窟窿不可即灌以錫者，先以鐵石填塞。次于