由故宮太和殿“金磚”的傳統工藝思考高強磚的現代制備技術

李 治 程小蘇 曾令可

（華南理工大學材料科學與工程學院，廣東廣州510640）

0 引言

改革開放三十多年來，我國經濟發展迅速，隨之而來的是城鎮化水平的不斷提高，在新農村建設及建材下鄉、政策引導等諸多利好因素影響下,我國建陶產業發展也特別快，并在全國進行轉移擴張，重新布局。特別是江西、湖南、湖北、河南等地成為承接經濟發達地區陶瓷產業轉移新的建陶生產基地，為當地經濟發展和創造就業等方面發揮了積極的作用。然而，建筑陶瓷生產的高消耗和高污染也使當地自然環境遭到了比較大的破壞，其中就因瓷磚強度不夠而產生的廢瓷堆積量就大的驚人。然而，故宮太和殿所使用的“金磚”的強度卻是異常的高，這些磚，雖已有數百年的歷史，但殿內的依然烏黑發亮，光可鑒人，猶如黑琉璃一般；殿外的在陽光照射下，青光熠熠，耀人眼目，不失當年光彩。當然，“金磚”的制作過程也是相當的復雜[1]，先后有選土、練泥、澄漿、制坯、陰干、熏燒諸多工序。單是選土這道工序，就有掘、運、曬、推、舂、磨、篩共七道工序。成磚之后，要求“叩之有聲，斷之無孔”，從中可見金磚的制造工藝之高。如果能仿制出像太和殿“金磚”這樣高強度的瓷磚并且市場化，建陶企業的廢瓷率會急劇下降，這可大大節省了原材料的浪費，可為實現陶瓷工業的可持續發展和低碳節能做出一定的貢獻，下面介紹一下“金磚”－高強磚的關鍵制備技術。

1 原料的制備

明宋應星著[2]《天工開物》第七卷陶埏,對制備“金磚”所用原料有如下記載：“凡埏泥造磚,亦掘地驗辨土色,或藍,或白,或紅,或黃(閩廣多紅泥。藍者名善泥,江浙居多)。皆以粘而不散,粉而不沙者為上,汲水滋土,人逐數牛,錯趾踏成稠泥,然后填滿木框之中”。這種傳統的選料工藝目的就是想篩選出一種顆粒細、雜質少、可塑性好、粘性強的易熔粘土原料,由于“金磚”實際為青磚，所以對原料的含鐵量要求不高，甚至不需除鐵。現今陶瓷工業發達，先將原料進行球磨，再利用噴霧造粒技術完全可以制備出分散度好、合理的顆粒級配且均勻性高的坯料，通過添加增塑劑可以使得坯料的可塑性得到提高，這樣從原料角度講就為制得高強度磚奠定了基礎。吳沙和、蔡祖光等人分別利用石屑粉和粉煤灰生產出蒸壓高磚[3-4]，后者的抗壓強度高達20 MPa以上，這足以說明雖然故宮的“金磚”原料要求很高，但是在現代科技的處理下，廢渣都可以變成制備高強磚的原料。但是處理后的原料需具有可塑性和良好結合性,達到應有的純度,細度,水分均勻,空氣含量少,這些對提高制品強度是有保障的。

2 成型與干燥

關于“金磚”的成型方法，北宋李誡奉敕編修的《營造法式》第十五卷窯作制度有這樣的記載[5-6]：磚坯成型時,“皆先用灰襯隔模匣,次入泥,以杖剖脫曝,令干”。明宋應星著《天工開物》第七卷陶埏,對磚坯成型方法亦有介紹:泥料“填滿木匡之中，鐵線弓戛平其面,而成坯形。”“造方墁磚泥入方匡中,平板蓋面,兩人足立其上,研轉而堅固之。"明張問之《造磚圖說》對金磚的成形方法是這樣描述的：泥“揉以手,承以托版，砑以石輪，椎以木掌,避風避日，置之陰室，而日日輕筑之，閱八月而后成坯。”傳統工藝干燥“金磚”的方法是將其置于陰暗的房間內，自然陰干八個月以上。對于這樣的成型和干燥方法，會導致現代企業生產效率太低。高強磚的成形可以選用大型壓機甚至是等靜壓成形。對于干燥工藝，可以采用微波干燥[7]，這種干燥方式熱傳導方向與水分擴散方向相同，與傳統干燥方式相比，具有干燥速率大、節能、生產效率高、干燥均勻、反應靈敏、清潔生產、易實現自動化控制和提高產品質量等優點，因而應該在建陶行業領域受到重視。

3 燒成技術

燒成是整個“金磚”制造過程中最重要的工序，燒成制度的合理性直接決定著產品的成功與否。明宋應星著《天上開物》一書第七卷陶涎就比較科學地總結了燒制磚瓦的經驗：瓦坯既成,干燥之后,則堆積窯內,燃薪舉火，或一晝夜，或二晝夜，熄火后“澆水轉釉，與造磚同法”。“凡磚成坯之后，裝入窯中,所裝百鈞,則火力一晝夜,二百鈞則倍時而足。凡燒磚有柴薪窯,有煤炭窯。用薪者出火成青黑色,用煤者出火成白色。凡柴薪窯巔上偏側鑿三孔以出煙，火足止薪之候,泥固塞其孔，然后使水轉釉。凡火候少一兩,則釉色不光，少三兩，則名嫩火磚，本色雜現，他日經霜冒雪，則立成解散,仍還土質。火候多一兩，則磚面有裂紋,多三兩,則磚形縮小拆裂,屈曲不伸,擊之如碎鐵,然不適于用”。“凡轉釉之法,窯巔作一平田樣，四圍稍弦起,灌水其上。磚瓦百鈞用水四十石。水神透入土膜之下,與火意相感而成。水火既濟,其質千秋矣”。

古代“金磚”為皇宮所專用,磚坯面積大而且很厚，生產周期很長，制作過程極為嚴格、考究，但成品率仍然很低。明張問之所寫《造磚圖說》一書中對“金磚”的燒成有如下記載“入窯也，防驟火激烈。先以糠草熏一月,乃以片柴燒一月,又以棵柴燒一月，又以松枝柴燒四十日，凡百三十日而后,害水出窯”。由于“金磚”燒成周期之長，足見燒制“金磚”之不易。燒制過程中最重要的就是溫度和氣氛的控制。“害水出窯”其實就是利用水蒸汽控制窯的氣氛，使窯內形成還原氣氛，并澆水讓其迅速冷卻將坯色燒制成青磚和青瓦。古代“金磚”表面呈墨黑色，燒成溫度為1000℃左右[8]，由前面的敘述中可以得出金磚的燒成周期較長，想要用現代陶瓷裝備技術燒成這樣高強度的磚，可以考慮用隧道窯燒成。隧道窯最重要的一點就是它可以穩定的控制燒成氣氛，而對于“金磚”的制備，燒成氣氛應為還原氣氛，強還原焰。其還原的目的是使坯體中的著色氧化物F e2O3與燃燒產物中的co及H2發生化學反應生成F e O，在高溫和還原氣氛中F e O再與SiO2反應生成了硅酸鐵，硅酸鐵常溫下為青色，這就保證了磚面的顏色。因此要保證好還原氣氛[9－10]。而保證好還原氣氛，一定要控制好窯內過剩空氣系數，其次是還原氣氛的濃度。上述化學反應方程如下：

即使紅磚著色的赤鐵礦也被還原成了青灰色的方鐵礦，磚于是由紅色變成了青色。在連續窯中由于燒成和還原溫度均比土窯要高 (>1000℃），還原產物除了方鐵礦還有磁鐵礦(F e3O4)。

隨著溫度的提高，化學平衡向生成二價鐵方向進行。在1050℃以上的溫度處于還原氣氛中，還可發生下列化學反應：

FeO+SiO2→FeSiO3(硅酸鐵)

此外，隧道窯還具有生產連續化、周期短、產量大、窯和窯內設備比較耐用、占地面積小等優點。綜上所述可以得出，在高強磚的現代制備技術中，用隧道窯進行燒成是可以考慮的。

4 燒成后加工工藝

在傳統工藝中，太和殿的“金磚”燒成后還要進行打磨和浸泡桐油等工序,有些制品還要進行雕刻工序，使其藝術價值更高。首先是打磨，剛從窯里搬出來的“金磚”還只能算是璞一樣的半成品，要讓它成為光彩照人的玉，還得花一番心血進行細致地打磨。“金磚”的打磨是運用極其簡單的工具，在一個圓形的水槽里進行，一邊磨，一邊沖水，不僅要讓金磚表面變得平滑，還要讓它使用時間愈長，反而愈加光亮，甚至可以當鏡子用過，在現代陶瓷制備技術中，此工藝可以用拋光機進行拋光，經過拋光機的拋光，鏡面效果俱佳。在傳統工藝中，打磨之后的“金磚”，要一塊塊地浸泡在桐油里，它是一種優良的帶干性植物油，具有干燥快、比重輕、光澤度好、附著力強、耐熱、耐酸、耐堿、防腐、防銹、不導電等特性，而且具有一定的聚合反應特性和良好的成膜性[11]。桐油不僅能使“金磚”光澤鮮亮，還能夠延長它的使用壽命。這主要是因為經過浸泡桐油的“金磚”在地面鋪貼過程中，“金磚”上面的桐油與地上的粘土發生作用，桐油能很好地分散并滲入黏土表面形成附著良好的包膜層。這就阻隔了外界物質對“金磚”的侵蝕，使其能長久的保持著一定強度。此外，由于工程的需要，有的“金磚”還要進行雕刻。“金磚”作為一種青磚，青磚雕刻文化在我國明清時代盛行，許多能工巧匠以青磚為藝術載體來進行創作，他們把傳統的民族技藝和優秀文化施于青磚，這就賦予了“金磚”的文化與藝術屬性。在磚雕的主題表現形式上多為五福、“三多”觀(多福、多壽、多子孫)、功成名就觀(如：“喜報三元”、“鯉魚跳龍門”等)、生殖信仰觀(如“麒麟送子”“鼠食葡萄”等)、對高尚品德崇高氣節的追求和對美好愛情的頌揚等[12]。這些文化主題的表達在現代陶瓷制造技術中，可以利用陶瓷數控雕刻機來完成，它可以任意在瓷磚上雕刻各種圖案和符號，而且效果逼真，今天的3 D噴墨打印技術效果更好，使得文化的傳達更方便，更有效。

5 結論

太和殿“金磚”是古代人民給我們留下來的寶貴財產，它光潤似墨玉、踏上去不滑不澀的質感，使用幾百年依舊光亮如新，在陶瓷制備技術水平不斷發展的今天，建陶行業對原料的需求量越來越大，而自然資源卻日益緊缺，給建陶生產企業的健康發展提出了一大難題。那么如何開發利用好新資源，已經成為整個行業開發的熱點和難點。在激烈的市場競爭中，優先掌握先進的生產技術、擁有較高的利潤空間，已經成為企業經濟效益的增長點，也是企業制勝的法寶，通過對“金磚”傳統制作工藝和與之對應的現代陶瓷制造技術的介紹，使得制做此類高強磚的工藝有方可尋，謹此為建陶企業的新產品開發提供一種選擇。

1 （明）宋應星.“磚”《天工開物》,廣州:廣東人民出版社,1976,185～1892（北宋）.《李明仲營造法式》,傳經書社,1925

3 蔡祖光.粉煤灰蒸壓高強磚的生產技術及其關鍵生產設備.磚瓦，2007（12）:12～15

4 吳沙和.利用石屑粉生產蒸壓高強磚的應用技術.房材與應用,2000,28(4):31～32

5 中國硅酸鹽學會編.硅酸鹽辭典.北京:中國建筑工業出版社,1984

6 （清）永玉容.《造磚圖說》.《四庫全書總目》,北京:中華書局出版，1983

7 程小蘇,鐘余發,曾令可,稅安澤,王慧,劉平安.微波干燥陶瓷坯體的應用分析.工業爐，2008,30（5）：22～25

8 繆松蘭.型青磚暨“金磚”的傳統制作方法.陶瓷研究,1996,11(4):190～193

9 王述達.燃氣隧道窯磚之焙燒著色初探.磚瓦,2003(10):14～16

10 許擁勝.古青磚燒結工藝探索.磚瓦世界,2005(5):33～34

11 唐曉武,林廷松,羅雪,應豐,李振澤.利用桐油和糯米汁改善黏土的強度及環境土工特性.巖土工程學報,2007,29(9):1324～1329

12 張俊嶺,文仁樹.漫談中國的傳統青磚藝術.科技信息,2007(1):16～17