有时候,欧洲人也要造一些混凝土,就在碎石里面灌入石灰液。他们虽然成功了,但他们所造的混凝土其强度并不令人乐观。
一位名叫约翰·斯米顿的英国土木工程师,将石子粒料加入到普通的混凝土中,结果制造出一种可以在水下硬化的混凝土,并在1759年建造埃迪斯通灯塔时使用了这种物质。
水泥的由来
早在古罗马时代,人们就制造出了水泥,并广泛用于高大而美丽的建筑。不过,当时使用的水泥是一种天然形成的物质,还不是今天的合成化学水泥。
当时,罗马人使用的水泥被称为“白榴”,是用火山灰与石灰混合制成的。如果用它砌墙,其结实耐用的程度比灰浆要高得多。如果将它与沙、碎石、水混合搅拌起来,就形成了更加耐用的混凝土。可是,火山灰毕竟不多,人们又总是远离火山而居,运输起来感到很麻烦。
古罗马帝国覆灭之后,人们很少用到混凝土和水泥。直到19世纪以前,建筑技术的进步速度非常缓慢。造成这种情况的重要原因之一,就是缺乏性能卓越的建筑材料。
而那时,人们只是将土、木、砖、瓦、沙、石作为盖房的材料。这些材料的性能与水泥相比,实在是太微不足道了。
18世纪发生了工业革命,人们开始大规模修建港口、堤坝、桥梁之类的水上设施,这使得人们去寻找耐水的胶结材料。1756~1759年,工程师斯米顿在英国西南海岸建造了埃迪斯通灯塔。他制造了新的水泥,所用的用料无非是石灰、黏土、砂和铁渣等。他的行为使整个水泥生产业得到复兴。
1824年,有一个名叫约瑟夫·阿斯普汀的泥瓦工研制出一种水泥,是对纯石灰石、白垩石和黏土进行加热而得到的,他还申请了专利权。这种水泥成型后,与英国的波特兰岛的石头非常接近,所以被人们称为“波特兰水泥”。
生产这种水泥的过程相对来说很简单:把原料和水的混合物,通过一个倾斜的转动圆柱端送入炉内,火在底层向上焙烧。随后,用球磨机把焙烧好的混合物磨成细粉。球磨机的结构很科学,包括一些内有钢球的转动水平圆筒容器。
从此,人们通过不断实践,掌握了水泥的化学成分和性质,并对生产工艺加以不断革新,专门生产水泥的工厂也出现了。1840年和1855年,两座水泥制造厂分别在法国和德国成立。
20世纪以来,人们越来越需要水泥,导致其用量急剧增长,水泥的产量和标号得到提高。水泥出现以后,在建筑工程中,混凝土得到广泛运用。直到今天,水泥在所有建筑材料之中,还是最重要的一种。
钢筋混凝土的由来
19世纪后期,混凝土得到广泛运用,原因是人们发明了人造水泥,使混凝土的质量得到改善。一般说来,混凝土的拉伸强度很低,受到张力就会开裂。于是,人们为了提高混凝土的承受张力,在它受拉的地方包入钢筋。这种办法非常管用。
一个名叫莫尼尔的法国花卉商,是以科学观点来认识钢筋混凝土的第一人。1867年,莫尼尔在温室中种花,经常要移植花盆中的花,一不小心就会把花盆打碎。
起先,他用木盆来代替,但木盆比瓦盆贵。当时,水泥已经得到应用,莫尼尔便用水泥等来做花盆,虽然水泥制成的花盆比瓦盆坚硬得多,但也容易碎裂。于是,他在水泥制成的花盆外面缠上几道铁箍,用来加固。
为了保证花盆的美观,莫尼尔又在铁箍外面涂上一层水泥,硬结后,发现这种花盆特别坚固,不容易碎裂。后来莫尼尔用粗铁丝做骨架,在铁丝骨架外面抹上水泥,硬结后就成了坚固美观的花盆。
从此,钢筋混凝土运用于水盆和花盆的制造之中。随后,莫尼尔又想到把这个方法应用于制造横梁、楼板、管道和桥梁。
对混凝土进行人力搅拌,要花费相当大的力量。1857年,一个叫塞尚的法国土木工程师,发明了第一台利用蒸汽为动力的混凝土搅拌机。搅拌机的出现,为普遍使用混凝土铺平了道路。
1892年至1893年,一个名叫弗朗索瓦·埃内比克的法国人,争取到了钢筋的专利权,并花费了数年的时间,使这项技术得以推广。
1894~1899年间,修建巴黎蒙马特尔的圣·让教堂时,使用了钢筋混凝土。1897年,这种物质又被用于建造英格兰南安普敦的码头。很快,它的优点就得到了人们的认可。1898年,美国人在华盛顿的海军船坞建造了第一个用于检验船体模型的水池,所选择的建筑材料就包括钢筋混凝土。
等到19世纪末的时候,在欧洲、北美洲和澳洲,钢筋混凝土得到广泛使用。这种物质使水泥得到强化,带来了非常大的好处:在水泥中加入金属结构,可以大片倒入工地的木质模子中,而不需要再往工地运入浇铸建材,钢筋使水泥的力度和负重量得到极大的增强。
砖的由来
大约7000年前,人们所熟悉的砖就问世了。在耶路撒冷附近的耶利哥城还保留着公元前5000年的砖,形状与短短的法式面包非常相似。
历史学家曾对西亚的历史进行过研究,指出巴比伦王国的城市建筑所用的原料就是砖。后来,巴比伦人把用砖的建筑技术传给了此后的亚述人。据说,早期的埃及王朝在进行房屋建造时也用到砖。
美索不达米亚曾经有手工烧制砖出现,烧制年代在公元前3500年前后。它的制作方法并不复杂,先把和好的泥做成长方体形状,然后把它放进砖窑里去烧,而不是放在太阳底下晒。经过烧制的砖和晒干的砖相比更加耐用,而且具有耐腐蚀的好处。
可是,如果对烧制的砖进行大量生产,需要费掉很多燃料,还要建造合适的窑,成本确实不低。所以,烧制的砖起初主要用于建造建筑物中最重要的部分。例如,位于伊拉克幼发拉底河南岸的乌尔城大塔,所用的材料就是公元前2000年的晒干的砖,每隔一段加一层芦席,使承重能力得到加强,只有塔的包层采用的是烧制的砖。
从中世纪以后,人们开始广泛地使用砖。造成这种情况的原因,除了它的坚硬、耐用等优点,还包括它的防火功能,制作成本也愈来愈便宜。
最早制作和使用砖的国家就包括中国。人们提到中国古代文化,总是忘不了“秦砖汉瓦”。但是,在中国古代,砖主要在一些显赫的建筑上得到应用,比如皇宫、城池、陵寝、佛塔,还有贵族和富商的宅院。雄伟的明长城在世界的砖建筑之中称得上是优秀之作,修建它的工匠们在很多关键的地段使用了坚硬的大砖。
不锈钢的由来
如何能让钢铁带有抗腐蚀的功能呢?其实,只要对一种金属的含量加以控制就成了,这种金属就是铬,它是一种有很高硬度、不怕任何物质腐蚀的银白色金属。当钢中的金属铬的含量达到12%以上,它的表面就会生成一层很薄的氧化膜,所以任何腐蚀都不怕。
20世纪初,不锈钢问世。它的制造者是英、法两国的科学家们,可是这些科学家虽然造出了不锈钢,却不了解这些合金的特性,更无法预料它们给人类带来的巨大影响。例如,在1904~1911年的法国,科学家吉耶和波特万研制出奥氏体不锈钢,却对这种物质的抗腐蚀性一无所知。
1911年,不锈钢和钝化理论被德国科学家蒙纳尔茨提出。他是认识到不锈钢的抗腐蚀性能的第一人,与此同时,他还为自己争取到在德国生产不锈钢的专利,想投身商业,大大地赚一笔钱。
仅仅过了一年,一种重要的不锈钢就出现了,它就是马氏体不锈钢,是英国的冶金学家布里尔利发明的。他亲手制作了一批刀子,很快就使马氏体不锈钢投入大批量生产。
1911~1914年,美国的丹齐经过不断实验,发明了铁素体不锈钢。这种不锈钢既能够进行热加工,又是冷加工的上好材料,对建筑和汽车上的装饰非常适用。
到了上世纪30年代,人们发明了奥氏体-铁素体双相不锈钢。紧随其后,马氏体和奥氏体沉淀硬化不锈钢、节约镍的不锈钢、含碳量超低碳不锈钢先后被开发出来。这样,不锈钢阵营的主要将帅就都凑齐了。
不锈钢一出现,就在化工、石油、航空、造船、武器制造等许多领域得到应用。用不锈钢做原料,飞机在恶劣天气也能正常飞行,轮船则不怕海水的侵蚀……这种钢材也走进了人们的日常生活,经过加工成为日常用品。
不锈钢的诞生,在世界冶金史上是一件了不起的大事。在20世纪的历史上,也是全人类的一项值得夸耀的文明成果。
玻璃的由来
公元前2500年,古埃及生产的装饰品中就包括了玻璃珠。有考古学家在中国洛阳的西周墓葬中发现了玻璃珠,它的颜色呈白色。后来又在宝鸡的西周墓葬中发现了透明的玻璃管和玻璃珠,约有上千件。
中国的玻璃制造业得到较大发展的时候,是从战国到秦汉这一时期。那时候,蓝、绿、黑、红等彩色玻璃问世,还出现了俗称为“蜻蜓眼”的多色玻璃珠。可是奇怪的是,三国以后,玻璃制造技术竟然神秘地失传了。一直到北魏时期,西域的大月氏人将烧制玻璃的技术传到大同,中国的玻璃制作才又复兴起来,为世人所瞩目。
西方的玻璃则是腓尼基人传入的。
在一个阳光明媚的日子,地中海沿岸的贝鲁斯河河口,来了一艘腓尼基的大商船。船上装了一批天然结晶苏打。船员们来自远方,并不了解海水涨落的规律。很快,船在离河口不远的一片沙洲上搁浅了。
船上的人见船难以前进,就从大船上跳下来,奔向陆地,一边尽情嬉戏,一边等候涨潮后继续开船。中午到了,海水还没有涨上来,他们就决定在沙洲上做饭,饱餐一顿。可沙洲上到处是软软的细沙,一块石头都没有,拿什么来固定饭锅呢?突然,有人想到了那些天然结晶苏打。
大家搬来一些苏打垒起锅灶,用木柴烧起火来。当他们吃完后收拾餐具准备回船时,有人发现锅下沙子上竟然有一种晶莹发光的东西。他们开始不知道这是什么,其实,这是因为沙洲上的温度很高,导致苏打块和地上的石英砂发生化学反应,形成了晶莹透亮的玻璃。
腓尼基人非常聪明,他们很快掌握了制作玻璃的方法——先将石英砂和天然苏打搅拌起来,然后用特制的炉子把它们熔化,再把玻璃液制成大大小小的玻璃珠。
到了公元前2000年,美索不达米亚人也能生产玻璃制品,只是他们的产品较为简单罢了。而真正的玻璃器皿则是公元前1500年前后在埃及出现的。从7世纪起,一些地区,包括美索不达米亚、波斯以及埃及、叙利亚,兴起了玻璃制造业,一度达到了繁荣的景象。阿拉伯人在制作清真寺用灯时,还将透明玻璃和彩色玻璃作为原料。清真寺的用具是非常神圣的,可见阿拉伯人对玻璃是非常看重的。
13世纪时期,威尼斯一个岛上的玻璃制作水平已经很高了。在威尼斯的玻璃工匠手里,普通的玻璃经过细致的加工,很快就变成了丰富多样的工艺品。后来,威尼斯玻璃制造商开发出了一种水晶玻璃,赚了不少钱,在威尼斯的众多出口产品中,利润较为稳定。
在欧洲的其他地区,也出现了一些玻璃品制造中心,如波希米亚和伦敦等。1675年,乔治·拉文克罗夫发现,如果在玻璃中加入铅,玻璃制品就会变得重一些,并且清澈透明。当时,人们在制作贵重餐具时,有时还要用到一种名叫水晶玻璃的优质玻璃。
在威尼斯和荷兰,玻璃制造业得到迅猛发展,使眼镜、望远镜和显微镜等以玻璃为原料的制品开始兴起。17~18世纪,欧洲制造的各种玻璃曲颈瓶、试管、烧瓶以及其他各种形状的玻璃瓶,使化学得到发展,这对氧气和其他元素的发现产生了有利的作用。
玻璃艺术品常被人们归入美术品。善于制作玻璃制品的艺术家有路易斯·康福特·蒂凡尼、法国的道姆·弗雷莱,他们生产出来的玻璃装饰品被收藏家和博物馆奉为珍品,其价格在收藏市场中一路攀升。
浮法玻璃的由来
人们制造最早的玻璃器皿时,是在玻璃冷却之前吹制成型的。后来人们发现,若将一些添加剂,如钙、铅之类加入到玻璃中,可使玻璃品的色泽和光洁度大大增强。
对于橱窗、车窗和镜子的制作所使用的玻璃,质量一定要达到上乘。人们一般用磨光的玻璃板来制作这些东西,这就势必产生大量的玻璃废屑,也必然使成本大大增加。
1952年,一个叫皮尔金顿的人产生了一个设想,就是让玻璃表面既像拉板玻璃那样光洁,又像压磨玻璃那样平整。为了达到这个目标,他用了整整7年的时间,花费了700万英镑的资金,终于研究出一项新的技术——制造浮法玻璃的技术。
浮法玻璃是这样制成的:将一条连续的玻璃带从熔炉里抽出来,使它在锡熔液的池子表面浮着。由于锡的分子结构比玻璃紧密,锡熔液能在相当长的时间内保持很高的温度,导致浮在上面的玻璃表面的凸凹不平的部分熔化,从而使玻璃板呈现出又光又平的状态。
时至今日,很多工厂已经能够生产不同厚度的浮法玻璃板,这全靠技术革新的成果。在玻璃带还在浮动时让它逐渐冷却,等待固化到能从熔池推开而不留下印迹时,把它推出熔池,然后置于烘灶里慢慢冷却。经过这样的过程,生产出来的玻璃板有较为理想的厚度,表面平整光洁,不需要进行抛光打磨,有极佳的质量。
使用这种方法生产出来的玻璃板,所费成本并不高,其价格与用老方法生产的玻璃板基本相同。由于生产这种玻璃非常合算,于是它很快就在世界各国流行起来。
20世纪80年代以来,生产玻璃板的所有传统方法,都被制造浮法玻璃的方法所取代。
染料的由来
100多年前,给材料染色并不容易,当时,人们染布料时,只能利用茜草、郁金、大黄、蓝靛、红花等植物的根、叶和皮之类的汁,让布匹呈现出自己喜爱的颜色。因为植物染料数量不多,种类也很少,所以染出来的东西缺乏明亮的色泽,远不能满足人们对色彩的追求。
人们对色彩的需求,是在化学合成染料问世后才得到解决的。英国人柏琴是化学染料的发明人。
19世纪40年代,在非洲的英国殖民地,疟疾大肆流行。奎宁是治疗疟疾的特效药,但天然的奎宁产量少,满足不了需要。当时英国皇家化学院由霍夫曼任院长,霍夫曼为了解决非洲的困难,他费尽脑汁,想从煤焦油中提取出珍贵的奎宁。
1856年,他招收了一个研究生,这名研究生就是柏琴,当时年仅18岁。
柏琴参与到导师的研究中后,连节假日都放弃了,在自家庭院角落的一间小屋里辛勤地做实验。他从煤焦油提取了一种苯的化合物——甲苯胺,想让它发生化学变化,转化成奎宁。可是,他的多次试验却都以失败告终。