15.2　材料

15.2　材料

就城镇建筑物的墙体而言，受欢迎的材料是细石砌体（细方石）或者砌砖结构。自1666年大火以来，伦敦的建筑物一直要求采用不可燃的墙体和屋面覆盖层，大多数地方城镇也采用了大都市的做法。至于小的乡镇和村庄，实际做法取决于本地情况。凡是建筑石料能就近开采的，其传统习惯就采用砌石结构建筑。在树木茂盛的乡村地区，往硬木框架中填满胶泥的做法一直持续到18世纪。然而，为了发展农业大面积毁树造田，在有些地区为了造船和建筑之需而砍伐木材，以及在少数地区将森林改成小灌木林以便烧制木炭，这些都减少或妨碍了一排排高大而挺直的树木的继续生长。为重建伦敦所需的大量木材有许多是从挪威进口的软木，而且贸易一旦建立就一直持续了下来。在既无石材又无硬木可方便利用的地方，砖就成为墙体常用的建筑材料，因为在那些没有充足石头供应的大部分乡村地区，多多少少还是可以找到适宜的黏土。对于全国的大多数海拔较低的地方，用于制砖的煤可以通过河流运去。在18世纪初期，适宜航行的河流长度有了显著的增加，这些水道在该世纪的最后25年间通过运河得到了延长（第18章）。在荷兰、佛兰德和意大利北部，砌砖结构建筑的历史要长得多。在法国，如同在英国一样，选用石材、木材还是砖大都取决于当地的便利条件。

雕刻的石材非常昂贵，而当装饰需要再现的时候，用黏土成型后烧制往往要经济得多。意大利人长期以来一直在生产这种被称为玻璃砖的产品。大约在18世纪中叶，人们曾尝试在英格兰推广这种材料。最为成功的制造商是兰贝斯的科德和西利（Coade and Sealy），他们于1769年任命约翰·培根（John Bacon）为设计师。培根还独立设计了石雕像和青铜雕像。科德石料（Coade stone）耐气候变化、耐火而且色彩迷人，它赢得了许多建筑师和建筑物所有者的认可。当时正逢伦敦西区大面积放开建造住宅建筑，它一直流行到摄政期，基本材料是高岭土（瓷土）。相对于大多数其他竞争者而言，科德石料产品的优越性有着传奇的色彩，据传制造商们拥有一项商业秘密，这项秘密随着这项业务大约于1840年结束而消逝，看来更可能是精良的设计再加上控制严密的原料调配和烧制才构成了其名声的真正基础［3］。

科德石科和其他类似产品的盛行，随着拿破仑战争后出现的艰难时期的到来而减退。对于墙面装潢，像纳什（John Nash，1752—1835）就用灰墁对用砖砌的墙体进行粉刷。灰墁是一种石灰和沙子的混合物，其外观和持久性依赖于外表涂敷的一层涂料。对于花园装饰和塑像，铸铁以及预铸的混凝土要比科德石料便宜，它们正在逐步代替科德石料，正像科德石料和铅取代了更贵的雕刻天然石一样。对于像卡尔顿宫露台和白金汉宫的支柱那样的巨型部件，纳什采用了表面经过涂敷的铸铁件，看起来犹如石柱。

水泥、胶泥和灰泥　最常见的用作胶泥活性成分的材料是石灰。但是，通过焙烧自然石灰石制造的石灰并不总是很纯，其黏着性会根据杂质的性质提高或降低。作为灰泥装饰最好用纯石灰，而最纯的石灰是大理石做的。由于中世纪的石灰烧制工及其后继者使用了上述方法，导致了许多古代雕像遭到毁坏。因此，为了黏着性，宁可使用一些比较灰暗的石灰，其中有些还具有在潮湿的地方甚至在水下凝固的特性，在这种状态下，较纯的石灰仍保持柔软或是可以完全受到浸滤。某些石灰的这种水硬特性——按维卡特（L.J.Vicat，1786—1861）对它的命名——早已被古罗马建筑师们了解和应用，他们还知道一种被称为火山灰（pozzolana）的火山土，加入非水硬性石灰时，能形成一种有强水硬特性的混合物。精细的黏土瓦片粉和铁匠的熔炉中形成的铁锈也具有类似的特性，在荷兰使用的与火山灰相似的粗面凝灰岩（trass）也是如此。

当斯米顿受委托建造第三座埃迪斯通灯塔时（图263、图264），他认识到除了采用楔形榫槽和榫销将石头连接起来以外，采用一种强水硬性石灰将砌石粘连起来也是非常重要的。他从全国的许多地方收集石灰样本，测试其强度并送检作化学分析，由此发现水下凝固这种特性总是存在于用含有一定比例的黏土成分的石灰石制成的石灰中。这一发现构成了若干种“天然”水泥和“人造”水泥的基础。天然水泥由石灰质和黏土成分按某种大致合适的比例组成的矿物质制成，经过煅烧并磨成细粉以后，就形成一种“具有显著水硬性”的石灰。这类石灰中最著名的就是所谓的罗马水泥，据说用它制成的胶泥和混凝土的硬度，可与从罗马的占领地保存下来的最好的样品一样。这种水泥是用哈里奇和谢佩岛的伦敦黏土中发现的小结核或龟背石（septaria）制成的，由帕克（James Parker）于1796年取得了专利（英国专利号：2120/1796）。

人造水泥是将白垩或石灰石和黏土或泥浆按比例混合在一起制成的，比例必须凭经验确定，因为当时对在水泥的固化和变硬过程中发生的化学反应还不清楚。事实上，这种化学反应是非常复杂的。在这一领域做了重要开拓性工作的是法国的维卡特［4］。肯特郡北部丘陵既有伦敦黏土又有北部低地的白垩，设在那里的水泥厂可以享受到多种便利，煤可从海上运来，产品则可用驳船通过河流运到伦敦。这一重要工业使肯特郡在18世纪末成为水泥的重要产地，至今仍然在那里大规模生产。帕斯利爵士（Sir Charles Pasley，1780—1861）是在查塔姆建立的现场教育机构的首席负责人（1821—1841），他在《石灰、石灰质水泥和胶泥等》（Limes，Calcareous Cements，Mortars etc.，1838年）一书中，充分叙述了这方面的早期工作，包括他自己的一些工作。人造水泥中最著名的是波特兰水泥，其专利持有人阿斯普丁（Joseph Aspdin，1779—1855）之所以取这个名字，是因为他乐观地认为，用这种水泥制造的无光泽的人造石或混凝土，会成为可为人们所接受的波特兰石的代用品［5］。阿斯普丁是韦克菲尔德的一名石匠、砌砖匠或建筑工，他于1824年拿到了这一产品的专利（第5022号）。他的儿子威廉（William）和一位合伙人于1843年在泰晤士河畔开办了一家工厂，又于1851年和另一位合伙人在盖茨黑德建起了一家工厂。为了能够制得至今仍在生产的那种著名的波特兰水泥，必须将混合的白垩和黏土的煅烧温度设为烧结温度，但是在阿斯普丁的专利说明书中根本看不到对此的任何提示。阿斯普丁可能是刻意也可能是意外地得到了硬煅烧结块，发现这比他起初在低温下制成的产品更好。不过他并没有再申请进一步的专利，这或许是他宁愿保守秘密——如果他确实发现了这一点的话。他的一位竞争对手L.C.约翰逊（L.C.Johnson，1811—1911）后来却一再指出是自己得出了这一发现：对于那些他曾当作废料扔掉的烧过头的次品烧结料，当他试着将其磨细用作水泥，结果发现其强度比迄今为止采用正常轻度烧制的材料要好得多。不过，可能是在1850年左右，水泥制造厂商和用户已普遍懂得了高温煅烧的好处，这一方法从而得到普遍应用。制造水泥的窑炉的形状或像瓶子或像截头圆锥体（图246），一座可追溯到1856年的窑炉高36英尺，底部直径17英尺，顶部直径2英尺9英寸，据报道它产的水泥一炉足可装满80桶。这种水泥桶如果与20世纪用于出口的水泥桶一样，那就可以装载水泥400磅。波特兰水泥完全是在英国发明和发展的。

生产质量相当稳定的水泥对于将水泥用作建筑的结构材料有显著的促进作用。前面已经提到过法国工程师在桥梁基础中采用水硬性石灰混凝土（第Ⅲ卷，边码425）。森普尔（George Semple，约1700—约1782）将砂质土石灰（正巧是水硬性的）和他挖出来的砾石混合制成混凝土，作为都柏林利菲河上的埃塞克斯桥的桥基，用以代替更常用的重型钢梁栅［6］。小乔治·丹斯（George Dance the younger，1741—1825）与索恩爵士（Sir John Soane，1753—1837）在基础施工中也偶尔使用石灰水泥。斯默克爵士（Sir Robert Smirke，1781—1867）对其承担的悔过所、海关大厦和伦敦邮政总局等大型工程的施工方法，是把一厚层石灰水泥均匀地铺在整个工地上。马克·伊桑巴德·布律内尔爵士（Sir Marc Isambard Brunel，1769—1849）在用于泰晤士河隧道（1826—1843，边码463）的胶泥中使用了罗马水泥。而在1828年，为了阻止渗漏，他往泰晤士河河床中倾倒的混凝土填料使用的是阿斯普丁水泥。为了修复伦敦维多利亚船坞外墙的损坏部分（1850—1855），波特兰水泥混凝土得到了使用。然而，第一次真正大规模使用波特兰水泥，是由巴泽尔杰特爵士（Sir Joseph Bazalgette）负责实施（边码510）的伦敦主排水系统，整个施工用了7万吨水泥，作了1.5万次测试（1858—1875）［7］。

一种将矿物质石膏中与硫酸钙相结合的水分排出一部分而不是全部的材料，成为代替石灰作为墙壁和天花板的灰泥的基础。这种材料做成的地基中世纪时在蒙马特尔以及巴黎得到了广泛应用，巴黎灰泥因此而得名。有关石膏灰泥的早期记述出现在13世纪中叶，当时亨利三世（HenryⅢ）命令在诺丁汉城堡的某些工程中使用这种材料［8］。诺丁汉附近的雪花石膏是一种优质石膏，连这种材料的废料和劣质料也可烧制成灰泥。人们也发现，在多塞特、约克郡和其他许多地区，自从中世纪以来就在烧制石膏。(https://www.daowen.com)

石膏灰泥主要用于光滑、洁净的表面装饰，在英格兰和法国却是用作楼板结构的部分。在19世纪40年代的巴黎，耐火天花板是借助于锻铁棒和桁条支撑着巴黎灰泥制成的，在铁棒和桁条之间及四周注入灰泥的方式如图247所示。这样，天花板上方的木质结构楼板就可免遭楼下室内的大火袭击。在诺丁汉的邻近地区，石膏灰泥被浇在铺在楼板桁条上的芦苇草席上。灰泥的顶部被磨平形成楼板的表面，无须再用木板了。

铁制品　铁最早是在我们讨论的这个时期成为重要的结构材料的。这种用途的铁有两种形式：其一是锻铁或熟铁，里面所含的杂质甚微而且并不重要，典型品质不会发生明显改变；其二是铸铁，碳含量范围为2%—5%。铸铁中的一部分碳形成铁的碳化物，这样就使材料的硬度和抗压强度有了显著提高。另有一部分碳以片状石墨沉积的形式存在，这可使金属的一个晶体与另一个晶体分开，形成薄弱的板层，使金属脆化，抗张强度降低。锻铁加热到发红时就具有可锻性，可以锻打或轧制成所需的形状。铸铁的熔化温度（约1200℃）低于锻铁的熔点（1500—1600℃），熔化时可进行浇铸模具。铸铁在凝固时有微小膨胀，因而可在铸件的表面反映铸模的各个细节。

在中世纪末和此后的很长一个时期内，锻铁紧固件被用于构成或加强大型而且重要的木结构框架的接合处，诸如屋面桁架的接合处。当然，这种金属比较昂贵。锻打后连接在一起的铁条，可用于诸如围绕砖石结构拱顶基座的链条这类结构件。

在18世纪，锻铁的实用性的提高，以至在英格兰究竟由建筑师还是结构工程师直接使用这种锻铁制成工件已无关紧要。在法国，人们则对锻铁的结构性使用作了一些大胆实验，锻炼被与砖砌结构连在一起，使其具有所需的抗张强度，还用其构成屋面框架的结构件。

在砖砌结构中埋置铁制品有一个严重缺点，砖砌结构不能完全避免空气和湿气渗入，尤其是在接合处，潮气接触到铁制品会形成铁锈。铁锈占据的空间比生成铁锈的金属占据的空间要大得多，这会使嵌有铁制品的砖砌结构裂开。由此，敞开的接合处或裂缝很易于让更多的水和空气乘虚而入，结果是加速锈蚀、膨胀加大、损坏处扩展，并出现非常难看的污点。这些危险加上铁的高昂价格，使中世纪的建筑师们遭到了挫折，他们在早期的实验性哥特式建筑中将脆弱的砖砌结构用金属材料捆接在一起。

1851年，在伦敦海德公园举行的万国博览会上展出的一根很重荷载的砖结构大梁，是把铁箍放入水平的胶泥接合处中来增强其强度的，令人印象深刻。自从1832年以来，马克·伊桑巴德·布律内尔爵士的确一直在对这种组合件进行实验。嵌有铁棒的灰泥天花板，大约是在这一时期在巴黎建造的，几乎可认为是一种原始的钢筋混凝土结构。然而，要把铁作为一种加强件正常使用，以解决砖砌结构抗张应力弱的问题，就有待于开发出一种能在实际使用中不渗水并可保持抑制铁锈的碱性反应的混凝土。直到19世纪后半叶普遍引入波特兰水泥时，这样一种混凝土的开发才成为可能。

从16世纪中叶开始，铸铁被用于制造大炮，在17世纪是用作壁炉内衬。1684年，兰内古因（Rannequin）在马尔利机这一著名供水系统中使用铸铁做水管和泵筒，索罗科尔德（George Sorocold）于1704年在伦敦桥的供水系统中也是这样做的。斯米顿18世纪50年代把铸铁用于传动装置和其他水车装置。到18世纪末，铸铁成为重要的建筑结构材料。在19世纪前半叶，它的作用非常突出，后来就渐渐地退出了舞台，因为它的地位已被其他材料所代替了。就其制造、特性及使用而言，正如前面所指出的那样，铸铁是一种与锻铁有着很大不同的材料。