由故宫太和殿“金砖”的传统工艺思考高强砖的现代制备技术

李 治 程小苏 曾令可

（华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州510640）

0 引言

改革开放三十多年来，我国经济发展迅速，随之而来的是城镇化水平的不断提高，在新农村建设及建材下乡、政策引导等诸多利好因素影响下,我国建陶产业发展也特别快，并在全国进行转移扩张，重新布局。特别是江西、湖南、湖北、河南等地成为承接经济发达地区陶瓷产业转移新的建陶生产基地，为当地经济发展和创造就业等方面发挥了积极的作用。然而，建筑陶瓷生产的高消耗和高污染也使当地自然环境遭到了比较大的破坏，其中就因瓷砖强度不够而产生的废瓷堆积量就大的惊人。然而，故宫太和殿所使用的“金砖”的强度却是异常的高，这些砖，虽已有数百年的历史，但殿内的依然乌黑发亮，光可鉴人，犹如黑琉璃一般；殿外的在阳光照射下，青光熠熠，耀人眼目，不失当年光彩。当然，“金砖”的制作过程也是相当的复杂[1]，先后有选土、练泥、澄浆、制坯、阴干、熏烧诸多工序。单是选土这道工序，就有掘、运、晒、推、舂、磨、筛共七道工序。成砖之后，要求“叩之有声，断之无孔”，从中可见金砖的制造工艺之高。如果能仿制出像太和殿“金砖”这样高强度的瓷砖并且市场化，建陶企业的废瓷率会急剧下降，这可大大节省了原材料的浪费，可为实现陶瓷工业的可持续发展和低碳节能做出一定的贡献，下面介绍一下“金砖”－高强砖的关键制备技术。

1 原料的制备

明宋应星著[2]《天工开物》第七卷陶埏,对制备“金砖”所用原料有如下记载：“凡埏泥造砖,亦掘地验辨土色,或蓝,或白,或红,或黄(闽广多红泥。蓝者名善泥,江浙居多)。皆以粘而不散,粉而不沙者为上,汲水滋土,人逐数牛,错趾踏成稠泥,然后填满木框之中”。这种传统的选料工艺目的就是想筛选出一种颗粒细、杂质少、可塑性好、粘性强的易熔粘土原料,由于“金砖”实际为青砖，所以对原料的含铁量要求不高，甚至不需除铁。现今陶瓷工业发达，先将原料进行球磨，再利用喷雾造粒技术完全可以制备出分散度好、合理的颗粒级配且均匀性高的坯料，通过添加增塑剂可以使得坯料的可塑性得到提高，这样从原料角度讲就为制得高强度砖奠定了基础。吴沙和、蔡祖光等人分别利用石屑粉和粉煤灰生产出蒸压高砖[3-4]，后者的抗压强度高达20 MPa以上，这足以说明虽然故宫的“金砖”原料要求很高，但是在现代科技的处理下，废渣都可以变成制备高强砖的原料。但是处理后的原料需具有可塑性和良好结合性,达到应有的纯度,细度,水分均匀,空气含量少,这些对提高制品强度是有保障的。

2 成型与干燥

关于“金砖”的成型方法，北宋李诫奉敕编修的《营造法式》第十五卷窑作制度有这样的记载[5-6]：砖坯成型时,“皆先用灰衬隔模匣,次入泥,以杖剖脱曝,令干”。明宋应星著《天工开物》第七卷陶埏,对砖坯成型方法亦有介绍:泥料“填满木匡之中，铁线弓戛平其面,而成坯形。”“造方墁砖泥入方匡中,平板盖面,两人足立其上,研转而坚固之。"明张问之《造砖图说》对金砖的成形方法是这样描述的：泥“揉以手,承以托版，砑以石轮，椎以木掌,避风避日，置之阴室，而日日轻筑之，阅八月而后成坯。”传统工艺干燥“金砖”的方法是将其置于阴暗的房间内，自然阴干八个月以上。对于这样的成型和干燥方法，会导致现代企业生产效率太低。高强砖的成形可以选用大型压机甚至是等静压成形。对于干燥工艺，可以采用微波干燥[7]，这种干燥方式热传导方向与水分扩散方向相同，与传统干燥方式相比，具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀、反应灵敏、清洁生产、易实现自动化控制和提高产品质量等优点，因而应该在建陶行业领域受到重视。

3 烧成技术

烧成是整个“金砖”制造过程中最重要的工序，烧成制度的合理性直接决定着产品的成功与否。明宋应星著《天上开物》一书第七卷陶涎就比较科学地总结了烧制砖瓦的经验：瓦坯既成,干燥之后,则堆积窑内,燃薪举火，或一昼夜，或二昼夜，熄火后“浇水转釉，与造砖同法”。“凡砖成坯之后，装入窑中,所装百钧,则火力一昼夜,二百钧则倍时而足。凡烧砖有柴薪窑,有煤炭窑。用薪者出火成青黑色,用煤者出火成白色。凡柴薪窑巅上偏侧凿三孔以出烟，火足止薪之候,泥固塞其孔，然后使水转釉。凡火候少一两,则釉色不光，少三两，则名嫩火砖，本色杂现，他日经霜冒雪，则立成解散,仍还土质。火候多一两，则砖面有裂纹,多三两,则砖形缩小拆裂,屈曲不伸,击之如碎铁,然不适于用”。“凡转釉之法,窑巅作一平田样，四围稍弦起,灌水其上。砖瓦百钧用水四十石。水神透入土膜之下,与火意相感而成。水火既济,其质千秋矣”。

古代“金砖”为皇宫所专用,砖坯面积大而且很厚，生产周期很长，制作过程极为严格、考究，但成品率仍然很低。明张问之所写《造砖图说》一书中对“金砖”的烧成有如下记载“入窑也，防骤火激烈。先以糠草熏一月,乃以片柴烧一月,又以棵柴烧一月，又以松枝柴烧四十日，凡百三十日而后,害水出窑”。由于“金砖”烧成周期之长，足见烧制“金砖”之不易。烧制过程中最重要的就是温度和气氛的控制。“害水出窑”其实就是利用水蒸汽控制窑的气氛，使窑内形成还原气氛，并浇水让其迅速冷却将坯色烧制成青砖和青瓦。古代“金砖”表面呈墨黑色，烧成温度为1000℃左右[8]，由前面的叙述中可以得出金砖的烧成周期较长，想要用现代陶瓷装备技术烧成这样高强度的砖，可以考虑用隧道窑烧成。隧道窑最重要的一点就是它可以稳定的控制烧成气氛，而对于“金砖”的制备，烧成气氛应为还原气氛，强还原焰。其还原的目的是使坯体中的着色氧化物F e2O3与燃烧产物中的co及H2发生化学反应生成F e O，在高温和还原气氛中F e O再与SiO2反应生成了硅酸铁，硅酸铁常温下为青色，这就保证了砖面的颜色。因此要保证好还原气氛[9－10]。而保证好还原气氛，一定要控制好窑内过剩空气系数，其次是还原气氛的浓度。上述化学反应方程如下：

即使红砖着色的赤铁矿也被还原成了青灰色的方铁矿，砖于是由红色变成了青色。在连续窑中由于烧成和还原温度均比土窑要高 (>1000℃），还原产物除了方铁矿还有磁铁矿(F e3O4)。

随着温度的提高，化学平衡向生成二价铁方向进行。在1050℃以上的温度处于还原气氛中，还可发生下列化学反应：

FeO+SiO2→FeSiO3(硅酸铁)

此外，隧道窑还具有生产连续化、周期短、产量大、窑和窑内设备比较耐用、占地面积小等优点。综上所述可以得出，在高强砖的现代制备技术中，用隧道窑进行烧成是可以考虑的。

4 烧成后加工工艺

在传统工艺中，太和殿的“金砖”烧成后还要进行打磨和浸泡桐油等工序,有些制品还要进行雕刻工序，使其艺术价值更高。首先是打磨，刚从窑里搬出来的“金砖”还只能算是璞一样的半成品，要让它成为光彩照人的玉，还得花一番心血进行细致地打磨。“金砖”的打磨是运用极其简单的工具，在一个圆形的水槽里进行，一边磨，一边冲水，不仅要让金砖表面变得平滑，还要让它使用时间愈长，反而愈加光亮，甚至可以当镜子用过，在现代陶瓷制备技术中，此工艺可以用抛光机进行抛光，经过抛光机的抛光，镜面效果俱佳。在传统工艺中，打磨之后的“金砖”，要一块块地浸泡在桐油里，它是一种优良的带干性植物油，具有干燥快、比重轻、光泽度好、附着力强、耐热、耐酸、耐碱、防腐、防锈、不导电等特性，而且具有一定的聚合反应特性和良好的成膜性[11]。桐油不仅能使“金砖”光泽鲜亮，还能够延长它的使用寿命。这主要是因为经过浸泡桐油的“金砖”在地面铺贴过程中，“金砖”上面的桐油与地上的粘土发生作用，桐油能很好地分散并渗入黏土表面形成附着良好的包膜层。这就阻隔了外界物质对“金砖”的侵蚀，使其能长久的保持着一定强度。此外，由于工程的需要，有的“金砖”还要进行雕刻。“金砖”作为一种青砖，青砖雕刻文化在我国明清时代盛行，许多能工巧匠以青砖为艺术载体来进行创作，他们把传统的民族技艺和优秀文化施于青砖，这就赋予了“金砖”的文化与艺术属性。在砖雕的主题表现形式上多为五福、“三多”观(多福、多寿、多子孙)、功成名就观(如：“喜报三元”、“鲤鱼跳龙门”等)、生殖信仰观(如“麒麟送子”“鼠食葡萄”等)、对高尚品德崇高气节的追求和对美好爱情的颂扬等[12]。这些文化主题的表达在现代陶瓷制造技术中，可以利用陶瓷数控雕刻机来完成，它可以任意在瓷砖上雕刻各种图案和符号，而且效果逼真，今天的3 D喷墨打印技术效果更好，使得文化的传达更方便，更有效。

5 结论

太和殿“金砖”是古代人民给我们留下来的宝贵财产，它光润似墨玉、踏上去不滑不涩的质感，使用几百年依旧光亮如新，在陶瓷制备技术水平不断发展的今天，建陶行业对原料的需求量越来越大，而自然资源却日益紧缺，给建陶生产企业的健康发展提出了一大难题。那么如何开发利用好新资源，已经成为整个行业开发的热点和难点。在激烈的市场竞争中，优先掌握先进的生产技术、拥有较高的利润空间，已经成为企业经济效益的增长点，也是企业制胜的法宝，通过对“金砖”传统制作工艺和与之对应的现代陶瓷制造技术的介绍，使得制做此类高强砖的工艺有方可寻，谨此为建陶企业的新产品开发提供一种选择。

1 （明）宋应星.“砖”《天工开物》,广州:广东人民出版社,1976,185～1892（北宋）.《李明仲营造法式》,传经书社,1925

3 蔡祖光.粉煤灰蒸压高强砖的生产技术及其关键生产设备.砖瓦，2007（12）:12～15

4 吴沙和.利用石屑粉生产蒸压高强砖的应用技术.房材与应用,2000,28(4):31～32

5 中国硅酸盐学会编.硅酸盐辞典.北京:中国建筑工业出版社,1984

6 （清）永玉容.《造砖图说》.《四库全书总目》,北京:中华书局出版，1983

7 程小苏,钟余发,曾令可,税安泽,王慧,刘平安.微波干燥陶瓷坯体的应用分析.工业炉，2008,30（5）：22～25

8 缪松兰.型青砖暨“金砖”的传统制作方法.陶瓷研究,1996,11(4):190～193

9 王述达.燃气隧道窑砖之焙烧着色初探.砖瓦,2003(10):14～16

10 许拥胜.古青砖烧结工艺探索.砖瓦世界,2005(5):33～34

11 唐晓武,林廷松,罗雪,应丰,李振泽.利用桐油和糯米汁改善黏土的强度及环境土工特性.岩土工程学报,2007,29(9):1324～1329

12 张俊岭,文仁树.漫谈中国的传统青砖艺术.科技信息,2007(1):16～17