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青砖是怎样炼成的?
发布日期:2018-07-12

青砖的历史很久远,很厚重,伴随了我们几千年,但看似伸手就能触摸到的这一块青砖,似乎总有一层薄薄的轻纱笼罩着,很难能清晰的看透他,让人产生一种神秘的情怀——青砖是怎样烧成的?

今天青城古建隧道窑烧结砖总工程师袁东海带大家一起揭开青砖烧制的神秘面纱。

关于青砖烧制工艺资料很多,从网上360百科词条中可以看到这样的解读:青砖是粘土烧制的,粘土是某些铝硅酸矿物长时间风化的产物,具有极强的粘性而得名。将粘土用水调和后制成砖坯,放在砖窑中煅烧(900℃-1100℃,并且要持续8-15小时)便制成砖。粘土中含有铁,烧制过程中完全氧化时生成三氧化二铁呈红色,即最常用的红砖;而如果在烧制过程中加水冷却,使粘土中的铁不完全氧化(Fe3O4)则呈青色,即青砖。

 

从词条中可以了解到制砖的整个工艺,红砖是氧化气氛中烧结,红砖变青砖的关键工艺是加水冷却,也就是砖瓦人讲的“下水饮(洇)窑”工序。关于下水饮窑人们赋予了他很多传奇的色彩,以至于到今天我们还不断延续这个神秘的传说。但是,青砖真的是下水促成的吗?答案是错误的!从文学的角度来说是人们赋予了青砖更多的演绎,但从科学的角度讲,这的确是一个“美丽的误解”。

传统烧制青砖的烧制过程可以分为两部分,一是烧成红砖,二是让红砖变青砖。青砖和红砖两者的区别是砖烧成后自然冷却为红砖,而让红砖变为青砖,则进行下面工序,第一道工序叫“隔窑”。传统的操作是这样的:当判断窑内砖烧成后,要进行两项工作,一是加煤,二是密封窑体。密封窑体的目的是通过窑体密封,隔绝窑外空气(氧气)输入;加煤是通过煤炭燃烧耗尽窑内、砖坯内的氧气,两种方法结合,能快速耗尽窑内氧气,也就是还原烧结。当达到还原烧结后,如何隔绝外界空气侵入,将这种状态持续到完全冷却,先辈们利用了水遇高温变为蒸汽的简单原理,也就是下水饮窑。因为水渗入窑内遇高温,水变蒸汽体积膨胀,在窑内形成正压,正压隔绝了外界空气的侵入,确保了砖瓦在缺氧的气氛中一直冷却到无法再次氧化的温度,完成整个返青工作。

从隔窑密封到下水饮窑,再到开窑出砖,前两个工序一气呵成,且窑内砖瓦色泽的变化都是在人们无法观察到的情况下完成的,红砖到底是在哪个环节变为青砖的,就形成了模糊概念。从操作环节上由于隔窑的时间很短,人们往往认为隔窑是为下水饮窑做的准备工作,而下水工作要持续几天时间,且要技能求很多,例如初期下水与后续下水的水量不同,同时要防止短时间大量水进入窑内,以及饮水的连续性等,这些工作和要求人们能看到,操作起来付出的辛劳也很多,所以,形成了青砖是下水饮窑后变成的概念。而这一概念形成后,烧砖人并没有去澄清,这恐怕和保守观念有一定的关系,毕竟有教会徒弟饿死师傅的担忧。这一套连续的过程砖瓦人很形象的称之为“闷青”,一个闷字,将青砖烧制的技术描述到了极致,也隐隐约约能观察到烧砖人的技术保守心理。


 

青砖变色是在还原初期开始的,还原结束,就已经完成了返青过程,饮窑的开始,也就预示着返青结束。下水只是保持了这种状态一直持续到最后开窑,而不是下水饮窑工序造就了青砖。


 

由于某种失误造成返青失败,窑内砖瓦呈不同程度的青色、红色、青红色等,烧砖人称为“花窑”,砖瓦呈青红相间现象被称为“青红砖”。青砖烧成青红砖一般为三类失误造成的,一是还原烧结时间不够,还原气氛和浓度没有达到完全耗尽氧份的要求,导致砖垛某些部位或砖的内部不同程度为氧化气氛下的红色。例如不烧还原直接下水饮窑,窑内虽然能形成缺氧的还原气氛,但受还原气氛浓度、时间、温度等因素影响,还原气氛不稳定,就会导致青红砖出现。这一点也证实了形成青砖的关键是烧还原过程而不是下水过程,例如:一座窑完全还原如果需要3个小时,将其时间压缩为2.5小时,下水时间不变,其出窑产品则会出现“青砖红心”现象,砖体外部完成了返青,砖内由于还原时间不够呈红色,虽然下水时间没有压缩,但由于之前的还原烧结不彻底,导致砖体内部的氧没有丢失,青红砖现象就出现了。

有些建筑物上经常见到的砖也呈青红砖,但形成的原因则不一定是还原不足造成的。如果仔细观察窑内不同部位出现的青红砖,一般有规律的出现在排烟道口附近、底层,或窑门、观火孔位置,之所以经常出现在这些部位,这要归罪与窑体密封不好。在还原阶段或者还原后高温阶段,由于窑的密封不好出现漏气,造成外界的空气(氧气)进入窑内,导致还原气氛不足或还原后回氧。还有就是还原完毕后高温下水阶段下水量不够,蒸汽少窑内正压压力不足、不稳定,外界空气从漏气点侵入,也会形成青红砖现象。所以,青砖隔窑工序另外一个重点就是窑体密封。

第三是高温出窑造成的再次氧化也会形成青红砖现象,烧砖人称之为“回火”。红砖中的三氧化二铁在还原气氛中由于氧的丢失形成黑色(青色、灰色)氧化亚铁,也就是红砖变青砖的化学反应过程。但氧化亚铁很不稳定的,遇高温会迅速氧化,再氧化成红色的三氧化二铁。从这一转换的过程可以观察到,红砖变青砖和青砖变红砖需要两个基本条件,一是烧结气氛,二是温度。开窑时(打开窑门称为开窑)温度高是造成此类青红砖现象的元凶,虽然相对燃烧的高温来讲这时属于低温阶段,但由于氧化亚铁不稳定,易氧化的特性,砖体温度由低温到完全冷却满足了氧化的条件,这种情况下青砖颜色慢慢丢失,逐渐变成红砖或灰砖。开窑时温度的高低决定了砖的变色程度,高温为红色,低温为灰红色或灰色。


 

青砖回火、氧化变红变灰现象也可以从古建筑上观察到。一座青砖建成的古建筑,经过几百年的风吹雨打,寒暑交替,已经没有了青砖的古朴,呈现的是灰砖的沧桑。在自然条件下青砖变灰砖,也是氧化的过程,只是这个过程由于温度因素,时间过于漫长,人们没有刻意关注而已。青砖在还原气氛中形成,这是他区别于红砖的唯一特性,青砖之所以比红砖耐风化,就是青砖在空气中逐渐被氧化,而后再开始风化期,而红砖是直接进入风化,由于青砖有了还原——氧化的过程,也让我们感受到的千年青砖的历史厚重。

词条中还解释了三氧化二铁在水的作用下,形成四氧化三铁,是红砖变青砖的化学过程,这一点也有待论证。四氧化三铁也就是我们常见的磁铁,呈黑色。实验室制四氧化三铁过程描述为:铁在蒸汽中加热,或者将三氧化二铁在400℃用氢还原都可制得四氧化三铁。从该描述中可得到这样的结论,由于青砖烧制后期的加水产生蒸汽以及还原气氛等表面现象与化验室制四氧化三铁过程过程类似,误导了词条作者。如果解释成氧化亚铁较为合适,从360词条中关于氧化亚铁的解释中可以看到:FeO可以在900℃条件下通过氧化铁与一氧化碳反应(在还原焰中加热氧化铁)得到,方程式为Fe2O3+ CO → 2 FeO +CO2。这一解释和青砖烧制过程一样:达到烧结温度后(原料不同烧结温度有差异,以黏土、页岩原料为例,一般烧结温度为900~940℃),开始还原、密封、下水工序,当低于800℃再进行还原工序时,会出现俗称的“不上色”现象,也就是返青失败。


 

有资料讲红砖烧制过程中的黑心、压花现象和青砖还原类似,这一观点有偏差。青砖是在氧化烧结完成后再还原形成的,而黑心、压花砖是在烧结过程中由于缺氧烧结形成的,一个是完全烧结后还原,一个是烧结过程中不完全烧结的过程,两者现象虽然都是还原气氛造成,后果都使产品呈黑(青)色,但产品品质却无法相比,因为黑心、压花砖是产品质量严重缺陷,是不合格产品,因为他不抗冻融,易风化,而青砖由于有了氧化气氛中形成的强度和还原气氛中形成的特有性质,耐风化,所以品质更优。

 

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