古代水工建筑物的胶结技术.doc

学习辅助网 水工建筑物用来挡水，因而砌体之间必须用胶结材料胶合，以减少透水性，降低渗润线高度，防止管涌等流弊产生；此外，水工建筑物还要抵抗水压力，以保持建筑物的稳定，因此，也需要胶结材料将砌体联缀，形成整体，以提高建筑物抗滑和抗倾覆的稳定性。“盖砌石砌砖，彼此本不相联属，恃有灰浆联为一体，所以成其固也盖灰浆乃石工第一要事。”因而，胶结材料是保证水工建筑物安全的关键之一，也是水工建筑物较非水工建筑物更多技术复杂性的原因。 (一)水硬性石灰 古代常用的胶结材料是石灰。一般石灰石煅烧后得气硬性石灰，在水中强度低。水硬性石灰古人常从煅烧蛎壳中获取。最早使用蛎房灰的记载是北宋嘉祜四年(1059)建造福建泉州洛阳桥(又名万安桥)时。洛阳桥建于洛阳江入海口处，河宽五里，潮水出没，水深流急，石桥基础的稳固成为建桥的关键技术问题，因此急需水中胶凝材料。宋人方勺在其所著泊宅编中记载：“闽中无石灰，烧蛎壳为灰故用灰(桥墩)常若新，无纤毫罅隙。”广东潮州海堤也曾用此技术：“甃山石，运海283问，置陶烧灰，派夫运土填筑。”所以，烧制石灰时除海砺壳外，还要“置陶”烧灰。这样就与水泥原料基本相同。不过石灰所需煅烧温度只要900l100，比水泥所需的烧制温度(1450)较低。水硬性石灰加沙成浆后，用以砌石，在水中可以继续硬化，其抗压强度可达25千克平方厘米。 牡蛎灰胶结性能早在唐代的文献中已有记载，例如煮盐时用以盛盐卤的竹盘，为使其不漏，“竹盘者，以篾细织，竹镬表里以牡蛎灰泥之，自收海水煎盐之，谓之野盐”。 明末科学家宋应星在其著名的天工开物一书中特别介绍了石灰和蛎灰的制造技术。石灰是用青色石(石灰石)煅烧而成，方法是“先取煤炭、泥和做成饼，每煤饼一层，叠石一层，铺薪其底，灼火燔之”，“成质之后，入水永劫不坏”。蛎灰制作方法与石灰相同。二者“粘砌城墙桥梁，调和桐油造舟，功皆相同”，不过蛎灰为蛎壳烧制，蛎房“经年久者，长成数丈，阔则数亩，崎岖如石假山形”，其化学成分与蚬(即蛤蚌)不同。“有误以蚬灰为蛎灰者，不格物之故也”。 (二)蛎房生物胶结 不仅蛎灰可为胶结材料，蛎房生长本身就自然形成对散石的凝结。在蔡襄主持洛阳桥施工时，首先沿桥纵轴线抛石，形成一道堆石基础。如何将散石体固结呢，当时人注意到海边的牡蛎可以牢固地附着在船底或礁石上，于是萌生利用生物固结的想法。“又种蛎于础，令其附生而固”，从而形成一道长三百多丈、宽一丈五尺的稳固基础，再在此石基上砌筑桥墩，成功地完成了建桥任务。由于蛎房胶结成为巩固石桥基础的关键，桥成以后“即多取蛎房散置石基上，岁久延蔓相粘，基益胶固矣。元丰初，王祖道知州，立法，辄取蛎者徒二年”，严格立法，禁止在桥基一带采蛎。 清?徐端：安澜纪要卷上，第61页。 乾隆潮州府志?堤防。 唐?刘恂：岭表录异，广东人民出版社，1983年，第37页。 明?宋应星：天工开物卷11，燔石，万有文库本，第197页。 明?宋应星：天工开物卷11，燔石，万有文库本，第198页。 明?仇俊卿：重修洛阳桥记，明文海卷384，中华书局影印本，第3971页，1987年。 宋?方勺：泊白宅编卷中，金华丛书本。 (三)火山灰黏合剂 古罗马时代不仅已使用石灰浆作建筑黏结剂，而且还在建筑工程中应用火山石灰。这种火山灰拌和，“不仅可使其他建筑物坚固，而且在海中筑堤时，也可在水下硬化”。 明代末年徐光启注意到西方的一种似土非土、似石非石的块体，磨碎后可作黏结剂，该块体“体质甚轻，揉之成粉，舂以代砂，或代瓦屑。灰汁在其空中，委宛相入。坚凝之后，逾于铜铁”。他并举出实例，认为几十年前有人发掘旧有水道，“视其甃涂之灰，用是物也，厚半寸许耳”。推断其建筑时代在汉武帝时期，而在一两千年之后仍然坚牢无比。 (四)水泥的引进 黄河河工应用水泥作胶结材料最早始于光绪十四年(1888)，当年河道总督吴大澄提出：“臣访闻西洋各国有塞门德土，拌沙粘合，不患水浸，较诸中国所用三合土尤为坚结拟于(黄河险工)砖面石缝试用外洋塞门德土涂灌结实，敛散为整，可使坝基做成一片，足以抵挡河溜。”当年从旅顺调运3000桶，又在上海、香港加购600桶使用。 水工砌石砌砖建筑物的胶结技术在古代大致可分为胶结材料和金属固结两类。 (一)胶结材料的应用技术 元代称石工胶结材料为石胶。在修济州会源闸的施工中“爰琢爰*，犬牙相入，直以白麻，固以石胶，关以劲铁”，记述了砌石工的主要施工环节。 1砌石砌砖灰浆及其配比 古罗马的建筑师维特鲁威(Vitruvii)在其编著建筑十书时已对由石灰、沙、水相调合的胶结材料的配比和做法有详细的总结。例如： 对于沙，他认为新采的山沙砌墙用时最好，但用于墙面抹灰则容易出现裂纹。河沙一般认为颗料太细，而海沙抹灰时，墙面会析出盐分甚至使表面剥落。 对于石灰能在灰浆中起凝结作用的原理，作者从物理角度做了一些推测。 对于沙灰比，作者认为用山沙时，三份沙一份石灰较好；用河沙或海沙，则应二份沙和一份石灰。在用河沙时，如果掺入三分之一的压碎过筛的瓦屑就更好。做蓄水池时，应使用二份石灰和五份沙，并用木铁制的夯将底部和四周夯实。而我国传统的筑蓄水池的配比是：石灰一份加河沙黄土二份，用糯粳米羊桃藤汁和匀，轻筑坚固。其法与西洋同。 维特鲁威著，高履泰译：建筑十书，中国建筑工业出版社，1986年，第40页。 明?徐光启：农政全书卷20，上海古籍出版社，1979年，第505页。 再续引水金鉴卷126，引东华录，国学基本丛书，第3299页。 元?揭俣斯：揭文安公全集卷12，重修济州会源闸碑，旧部丛刊本。 维特鲁威著，高履泰译：建筑十书，中国建筑工业出版社，1986第，第39440页。第193页。 明?宋应星：天工开物第11卷，万有文库本，第197页。 2砌体灌缝之灰浆 徐光启(15621633)称砌筑之灰浆为甃齐，而灌缝之灰浆为筑齐。甃齐灰沙比一般为1:2。而灌缝之灰浆需另外加水，以提高其流动性。清代河工灌浆施工更加具体。砌石一层并砌石之后的河砖安砌完毕，再填夯砖后灰土三尺。待砌石、砌砖、灰土砌筑完毕，即开始灌灰浆。灰浆灌足后，略微吹晾稍干，再继续向上层砌筑。灌浆必须层砌层灌，不得砌石两三层后再灌，以保证灌浆饱足。 灌浆多以糯米汁和石灰熬煮。每石糯米汁加石灰一二斤，“实乃稠腻之良法”。在米汁中还要适当加少许盐酱，加盐酱后，联缀砌石的铁锔、铁锭容易生锈，有利于石铁之间的固结。 3填塞砌石缝隙的灰浆 水工建筑物长期经水流淘刷，砌缝处胶结物难免脱落，因此必须随时维修。浙江绍兴之三江闸，在明代使用羊毛纸筋灰填缝。制作方法是：用极细竹箩将石灰过筛，然后加入弹碎之羊毛，逐渐在其中掺加纸筋水杵捣使熟。纸筋水是取制作纸伞的净白桃花纸边加水浸泡，再取藤藜青枝捣烂，取其汁加入纸筋水内，搅拌充分备用。纸筋灰杵捣至均匀黏稠，用竹签填入砌石缝内，再用油松木削成与漏眼相应粗细，将油松木敲入缝内，齐石边锯平，其外再填补好灰即可。 清代又有用油灰填塞砌石缝隙者。油灰例来用于腻船板缝隙，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，入油二两，舂至胶黏如毡，逐渐加油与灰，尤需练透，以木签挑试，灰凝丝竖为度”。黄河河工上制作油灰，也有用辗加工者，“贮细石灰净桐油于槽内，务使油灰成胶为度。” (二)金属固结技术 古代砌石体的联缀，除砌石块体间施加胶合灰浆外，还有用铁锭、铁锔勾连牵拌，或用铁汁、锡汁灌缝等做法。 1生铁锭和熟铁锔、铁柱 生铁锭用于“两石接缝处所，必须凿槽安扣铁锭，俾两石交相扣接，块块联络，不致被水冲揭。铁锭一般长六寸五分，两头宽二寸六分，腰宽一寸六分，厚二寸，重十二三斤”。目前所见水工砌石用铁锭的最早记载是宋代建隆二年(961)。当年在洛水上建石桥，“甃巨石为脚，高数丈，锐其前以疏水势。石纵缝以铁鼓络之，其制甚固”。元统二年(1334)吉当普在维修都江堰时，“诸堰皆甃以石，范铁以关其中，取桐实之油，和石灰、杂麻丝而捣之使熟，以苴罅漏”。 明?徐光启：农政全书卷20，上海古籍出版社，1979年，第507页。 清?徐端：安澜纪要卷上，第61页。 清?李世禄：修防琐志卷12，水利珍本丛书本，第233页。 清?三江闸务全书续刻卷2，物料，同治九年刻本，第18页。 清?麟庆：河工器具图说卷2，万有文库本，第162页。 章晋墀，王乔年，河工要义，光绪三十四年永定河工研究所铅印本，第49页。 宋史?河渠志四，二十五史河渠志注释本，第125页。 元史?河渠志三，二十五史河渠志注释本，第313页。 铁柱和铁锔均为熟铁打造。铁柱用于两层石料之间，直径一二寸。铁锔用于相邻两石料之间侧面的联结，用扁方铁攀穿入牵拉。清代江南海塘上铁锔又称铁肖，安放位置从料石表面移至里面。光绪三年(1877)一度引进西洋钻孔机械作石孔加工。 2灌铁汁、锡汁 灌铁汁、锡汁以弥合砌石缝隙的做法，起源较早，唐代太和年间(827835)兴建的浙江鄞县它山堰，在宋代崇宁二年(1103)维修时就曾“易土以石，冶铁而固之”。滨海的绍兴三江闸于万历十二年(1584)第一次大修时，因闸墙砌石间隙分离渐大，就曾采用灌锡汁弥缝的做法。清代人对灌铁汁和灌锡汁的优劣有所比较，认为：“铁溶缓而流滞，入罅或不透，且历久必朽，其得用则逊锡远矣。”灌锡的方法是：“有深大窟窿不可即灌以锡者，先以铁石填塞。次于