Ngói đất sét Nhật Bản , được gọi chung là kawara , là những tấm lợp bằng đất nung nung cao đã che chở cho các ngôi đền, lâu đài và nhà cửa của Nhật Bản trong hơn 1.400 năm. Đặc điểm kỹ thuật xác định của chúng là tỷ lệ hấp thụ nước dưới 3%, cường độ nén thường xuyên vượt quá 20 MPa và hình học lồng vào nhau chống lại cả lượng mưa xối xả của mùa mưa và lực nâng của gió bão vượt quá 60 mét mỗi giây. Không giống như các loại ngói đất sét phẳng phổ biến trong mái lợp Địa Trung Hải, kawara Nhật Bản được tạo hình thành một mặt cắt ba chiều đặc biệt - một đường cong lồi trên một chảo lõm - tạo ra một bề mặt có cấu trúc cứng và tự thoát nước. Màu xám bạc đậm của mái ngói hun khói truyền thống không phải là lớp men phủ lên bề mặt; đó là carbon lắng đọng vào các lỗ siêu nhỏ của thân đất sét trong quá trình nung khử, biến đổi về mặt hóa học lớp ngoài của gạch thành lớp da gốm không xốp, không thấm nước.
Đất sét: Lựa chọn và chuẩn bị nguyên liệu thô
Nền tảng cho hiệu suất của ngói lợp Nhật Bản là thân đất sét, phải đáp ứng ba yêu cầu cạnh tranh: độ dẻo khi tạo hình, độ bền khô đủ để xử lý ở trạng thái xanh và thủy tinh hóa ở nhiệt độ nung để đạt được độ xốp thấp. Các mỏ đất sét trước đây được sử dụng để sản xuất kawara là đất sét thứ cấp—đất sét được vận chuyển từ nguồn phong hóa và lắng đọng trong các lưu vực phù sa—giàu cả kaolinit có tính chịu lửa và illite hoặc montmorillonite có tính dẻo. Một thân đất sét kawara điển hình chứa 40-50% kaolinit, 20-30% illite và 15-25% thạch anh mịn , với hàm lượng oxit sắt thường từ 2% đến 5% góp phần tạo ra màu nung từ màu nhạt đến đỏ đậm tùy thuộc vào môi trường nung.
Sản xuất kawara hiện đại sử dụng đất sét tinh luyện, trong đó đất sét thô được phong hóa ngoài trời từ sáu đến mười hai tháng—một quá trình được gọi là Nerashi trong tiếng Nhật—trong đó chu trình đóng băng-rã đông và hoạt động của vi khuẩn sẽ phân hủy chất hữu cơ và đồng nhất hóa độ ẩm. Đất sét phong hóa sau đó được nghiền nhỏ, sàng lọc để loại bỏ đá và rễ cây, sau đó trộn với nước và một lượng nhỏ grog mịn (thân gạch nung trước, nghiền nhỏ) để kiểm soát độ co ngót khi khô. Việc bổ sung grog, thường từ 5% đến 10% trọng lượng, làm giảm độ co khô tuyến tính từ khoảng 8-10% đối với thân đất sét nguyên chất xuống mức 5-7% có thể kiểm soát được, giúp ngăn ngừa nứt khi gạch hình thành khô trước khi nung. Độ dẻo của vật thể đã chuẩn bị được đo bằng giới hạn Atterberg; giới hạn dẻo 18-25% và giới hạn chất lỏng 35-45% mang lại khả năng làm việc cần thiết cho quá trình ép đùn và ép mà không có độ nhạy khô quá mức.
Các loại gạch và hình dạng đặc biệt của chúng
Mái nhà Nhật Bản được lắp ráp từ một hệ thống các hình dạng ngói riêng biệt, mỗi hình dạng có một chức năng cụ thể trong thành phần thẩm mỹ và chống chịu thời tiết tổng thể. Hình học lồng vào nhau giữa các hình dạng này là yếu tố giúp mái kawara có khả năng đổ nước đồng thời chống lại sức gió mà không cần sử dụng chất kết dính hoặc ốc vít cơ học trên mỗi viên ngói. Ba loại ngói chính tạo thành sân mái như sau.
| Loại gạch | Tên tiếng Nhật | Hình dạng và chức năng | Trọng lượng điển hình trên mỗi mảnh | Phạm vi phủ sóng trên mỗi ô |
|---|---|---|---|---|
| Gạch chảo lõm | Hira-gawara | Máng phẳng hoặc hơi cong dẫn nước ra mái hiên; xếp chồng lên nhau từ mái tới sườn núi | 2,5-3,2 kg | 0,15-0,20 mét vuông |
| Ngói phủ lồi | Maru-gawara | Nắp hình bán trụ che mối nối giữa các viên gạch liền kề; ngăn chặn sự xâm nhập của nước ở đường may bên | 2,8-3,5 kg | Chỉ che đường may, không che khu vực |
| Ngói chữ S tích hợp | S-gawara hoặc tiếng Tây Ban Nha-gawara | Ngói nguyên khối hiện đại kết hợp mặt chảo và mặt che theo mặt cắt hình chữ S; vòng bên lồng vào nhau loại bỏ các lớp phủ riêng biệt | 3,0-3,8 kg | 0,18-0,25 mét vuông |
Ngoài ngói hiện trường, một hệ thống mái kawara hoàn chỉnh còn bao gồm ngói đầu cuối và ngói chuyển tiếp chuyên dụng: nokigawara (gạch mái) có mặt treo trang trí đưa nước của mái nhà vượt ra ngoài đường tường và thường có gia huy hoặc biểu tượng ngôi đền nổi lên; onigawara (gạch ở đầu hồi) được điêu khắc thành hình con thú thần thoại hoặc họa tiết hoa che phủ sườn núi và bảo vệ đầu hồi khỏi mưa gió; sumigawara (gạch góc) góc rẽ tại giao điểm mái hiên và sườn núi; và munegawara (gạch ngói) che đỉnh mái. Sườn núi được gia cố thêm bằng một shikkui nắp vữa—một loại thạch cao làm từ vôi truyền thống trộn với sợi gai dầu và chiết xuất rong biển—có tác dụng liên kết các viên ngói sườn thành một khối nguyên khối chịu được thời tiết.
Kết thúc hun khói: Ibushi-gawara và nung giảm
Màu xám bạc đậm đặc trưng của ngói lợp truyền thống Nhật Bản là kết quả của kỹ thuật nung chuyên dụng gọi là ibushi (hút thuốc), tạo ra một bề mặt đồng thời có màu, bịt kín và biến đổi về mặt hóa học. Quá trình ibushi là quá trình đốt giảm có kiểm soát xảy ra ở giai đoạn cuối của chu trình lò nung. Những viên gạch đầu tiên được nung trong môi trường oxy hóa đến khoảng 1000-1100°C , giúp thiêu kết phần đất sét đến cường độ cuối cùng và phát triển màu cơ bản từ hàm lượng oxit sắt—thường là màu đỏ cam ấm trong quá trình oxy hóa. Ở nhiệt độ cao nhất, đầu đốt lò được điều chỉnh thành hỗn hợp giàu nhiên liệu và việc cung cấp không khí bị hạn chế. Quá trình đốt cháy thiếu oxy tạo ra carbon monoxide và các hạt carbon tự do. Bầu không khí trong lò chuyển từ oxy hóa sang khử và carbon được lắng đọng vào các lỗ rỗng vẫn còn mở trên bề mặt gạch nóng.
Đồng thời, bầu không khí khử chuyển hóa về mặt hóa học oxit sắt đỏ (Fe₂O₃, hematit) trên bề mặt gạch thành oxit sắt đen (Fe₃O₄, magnetit) và tiếp tục khử một phần sắt thành sắt kim loại ở dạng phân tán mịn. Hiệu ứng kết hợp là tạo ra một lớp bề mặt dày đặc, bão hòa cacbon xấp xỉ dày 0,1 đến 0,3 mm đó là không xốp và kỵ nước. Các hạt nước bám trên bề mặt gạch ibushi thay vì làm ướt và độ hấp thụ nước của mặt hun khói giảm xuống dưới 1%, ngay cả khi thân gạch bên dưới có độ hấp thụ 2-3%. Quá trình hun khói được kết thúc bằng cách bịt kín lò và để nguội trong môi trường khử, điều này ngăn cản quá trình tái oxy hóa của các hợp chất cacbon và sắt. Bề mặt thu được có chất lượng sáng, tinh tế—không phải màu đen phẳng mà là màu than đậm với ánh kim loại mờ nhạt—tỏa sáng một cách duyên dáng qua nhiều thập kỷ, phát triển một lớp gỉ mềm mại, im lặng.
Gạch tráng men: Yusen-gawara và các tùy chọn màu sắc
Bên cạnh gạch ibushi hun khói, các lò nung Nhật Bản còn sản xuất yusen-gawara —gạch gốm tráng men—trong đó một lớp tạo thủy tinh được phủ lên bề mặt gạch trước khi nung và tan chảy thành một lớp phủ thủy tinh, không thấm nước trong chu trình nung. Men được tạo thành từ nền fenspat, silica và đất sét, với các oxit kim loại bổ sung để tạo màu: đồng cho màu xanh lá cây, coban cho màu xanh lam, sắt cho màu nâu và hổ phách, và mangan cho màu tím-đen. Lớp men được phủ bằng cách phun hoặc nhúng ngói khô, chưa nung và nó trưởng thành trong cùng một chu kỳ nung thiêu kết phần thân đất sét. Lớp men thường dày 0,2 đến 0,5 mm , có khả năng hấp thụ nước hiệu quả bằng 0 và mang lại cho gạch một bề mặt bóng, phản chiếu ánh sáng và có khả năng tự làm sạch dưới mưa.
Màu ngói tráng men có ý nghĩa lịch sử nhất là màu men đồng xanh lam được thấy trên các mái chùa ở Kyoto và Nara, đạt được nhờ việc bổ sung oxit đồng 2% đến 5% theo trọng lượng đến mẻ men. Loại men này khi được nung trong quá trình oxy hóa sẽ tạo ra màu xanh ngọc lam rực rỡ, tượng trưng cho kiến trúc thiêng liêng ở Nhật Bản. Gạch tráng men dành cho khu dân cư hiện đại có sẵn nhiều bảng màu — đen mờ, nâu sô cô la, cam đất nung, xanh rêu và xanh đá phiến — và thường có lớp hoàn thiện bán mờ giúp giảm độ chói trong khi vẫn giữ được lợi ích ít cần bảo trì của bề mặt tráng men. Lớp men cũng làm tăng thêm độ bền uốn của gạch; ứng suất nén trước mà lớp men tác dụng lên lớp đất sét bên dưới khi chúng nguội đi với tốc độ hơi khác nhau làm tăng mô đun vỡ khoảng 10-15%.
Hiệu suất cơ học: Động đất, bão và hệ thống lồng vào nhau
Mái ngói đất sét Nhật Bản là một hệ thống nặng—mái kawara rộng một mét vuông, bao gồm ngói, vữa lót đất sét và nền gỗ, chịu tải trọng tĩnh 50 đến 70 kg mỗi mét vuông . Trọng lượng này, có vẻ bất lợi trong thiết kế kháng chấn, thực tế lại góp phần vào khả năng chống động đất của mái nhà thông qua nguyên lý giảm chấn khối lượng được điều chỉnh. Mái nặng làm giảm tần số tự nhiên cơ bản của tòa nhà và khi mái được liên kết đúng cách với cấu trúc tường, khối lượng quán tính giúp chống lại các lực ngang của trận động đất bằng cách tăng độ cứng tổng thể của cấu trúc. Các tòa nhà khung gỗ truyền thống với mái kawara nặng nề đã tồn tại qua nhiều thế kỷ sau các sự kiện địa chấn ở Nhật Bản, mặc dù các quy chuẩn xây dựng hiện đại hiện nay yêu cầu phải cố định cơ học chắc chắn từng viên gạch bên cạnh việc lắp đặt dựa trên trọng lực và ma sát truyền thống.
Khả năng chống bão là trường hợp thiết kế đòi hỏi khắt khe hơn đối với ngói lợp. Gió thổi qua mái nhà tạo ra áp suất âm (lực hút) trên sườn khuất gió, mái hiên và sườn núi, đồng thời lực nâng lên tấm ngói đất sét có thể vượt quá trọng lượng bản thân của nó ở tốc độ gió trên 35 mét mỗi giây . Kawara truyền thống có khả năng chống lại lực nâng nhờ hình dạng lồng vào nhau của tấm lợp và tấm lợp cũng như trọng lượng đáng kể của các tấm ngói, với mái ngói được cố định thêm bằng dây đồng vào tấm lợp mái. Việc lắp đặt hiện đại theo Luật Tiêu chuẩn Xây dựng Nhật Bản yêu cầu mỗi viên gạch phải được cố định cơ học bằng kẹp kim loại chống ăn mòn hoặc dây buộc bằng thép không gỉ để liên kết chặt chẽ với khóa liên động của gạch và được gắn chặt vào ván mái. Hệ thống cố định phải chịu được lực nâng ít nhất 1,2 kN trên mét vuông cho các tòa nhà ở vùng tiếp xúc với gió lớn. Thử nghiệm hầm gió toàn diện tại Viện Nghiên cứu Xây dựng Nhật Bản đã xác nhận rằng mái kawara được lắp đặt đúng cách với các bộ phận cố định cơ học có thể chịu được tốc độ gió vượt quá 60 m/s, tương đương với cơn bão cấp 4.
Tiêu chuẩn độ bền đông lạnh và hấp thụ nước
Ngói lợp bằng đất sét ở những vùng có mùa đông đóng băng dễ bị hư hại do sương giá nếu khả năng hấp thụ nước của chúng vượt quá ngưỡng tới hạn. Nước thấm vào thân gạch sẽ nở ra khoảng 9% khi đóng băng và áp suất thủy lực sinh ra có thể làm vỡ bề mặt gạch hoặc làm gãy hoàn toàn gạch. Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS A 5208 đối với ngói đất sét nung quy định độ hấp thụ nước tối đa là 3% đối với ngói tráng men và 5% đối với ngói không tráng men (hun khói) khi thử nghiệm bằng cách ngâm trong nước sôi 24 giờ. Các ngưỡng này được thận trọng một cách có chủ ý so với tiêu chuẩn Châu Âu EN 1304, cho phép lên tới 6% đối với gạch có hiệu suất thấp và 10% đối với gạch có cường độ trung bình ở vùng khí hậu ôn hòa.
Tính nghiêm ngặt của tiêu chuẩn Nhật Bản phản ánh thực tế khí hậu: phần lớn Nhật Bản, bao gồm các khu vực sản xuất gạch ngói lịch sử là Đảo Awaji và bờ biển San'in, trải qua lượng tuyết rơi đáng kể và chu kỳ đóng băng-tan băng vào mùa đông. Một viên gạch có độ hấp thụ nước trên 5% sẽ bị hư hại tích lũy trong các mùa đông liên tiếp, với tình trạng hư hỏng thường bắt đầu khi bề mặt bị nứt trên các lớp phủ lồi, nơi nước tuyết tan chảy và đóng băng lại. Bề mặt hun khói của gạch ibushi cung cấp thêm khả năng chống đóng băng-tan băng vì lớp bề mặt chứa đầy carbon, có độ xốp thấp ngăn nước lỏng xâm nhập vào thân gạch ở mặt tiếp xúc, tạo ra vật liệu được phân loại một cách hiệu quả với bề ngoài dày đặc, kỵ nước và bên trong xốp hơn nhưng được bảo vệ.
Lò nung khu vực và nguồn gốc của gạch đất sét
Việc sản xuất ngói lợp bằng đất sét của Nhật Bản tập trung ở một số khu vực lò nung lịch sử, mỗi khu vực gắn liền với một thân đất sét đặc biệt, một hình dáng ngói cụ thể và một đặc tính thẩm mỹ dễ nhận biết. Ba trung tâm sản xuất quan trọng nhất là:
- Đảo Awaji (tỉnh Hyogo): Vùng sản xuất kawara lớn nhất và nổi tiếng nhất, chiếm khoảng 60% sản lượng gạch nội địa của Nhật Bản. Đất sét Awaji là một loại trầm tích phù sa biển hạt mịn có độ dẻo tuyệt vời và hàm lượng sắt thấp tạo ra thân màu trắng nhạt lý tưởng cho quá trình hun khói ibushi. Ibushi-gawara của Awaji được coi là tiêu chuẩn để đánh giá các loại gạch hun khói khác.
- Sanshu (tỉnh Aichi): Vùng sản xuất lớn thứ hai, được biết đến với Sanshu-gawara thương hiệu. Đất sét Sanshu có hàm lượng sắt cao hơn nên tạo ra thân màu đỏ đậm hơn và khu vực này chuyên sản xuất gạch tráng men. Thị trấn Takahama của công ty Mitsubishi trong vùng Sanshu là nơi sản sinh ra loại ngói hình chữ S tích hợp hiện là vật liệu lợp mái nhà ở phổ biến nhất ở Nhật Bản.
- Sekishu (Tỉnh Shimane): Một khu vực sản xuất lịch sử trên bờ biển Nhật Bản nổi tiếng với Sekishu-gawara , được nung từ đất sét chứa tỷ lệ cát silic mịn cao tự nhiên. Kết cấu cát mang lại cho gạch Sekishu một vân bề mặt đặc biệt và khả năng chống băng giá đặc biệt, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các vùng tuyết dày của bờ Biển Nhật Bản.
Nguồn gốc lò nung thường được đóng dấu hoặc dập nổi ở mặt dưới của mỗi viên gạch, cùng với dấu chứng nhận JIS và ngày sản xuất. Đối với các dự án trùng tu các tòa nhà lịch sử, việc làm phù hợp với mặt cắt ngói và bề mặt hoàn thiện ban đầu của lò nung là điều cần thiết để đảm bảo tính liên tục về mặt thẩm mỹ và khả năng tương thích kỹ thuật với cấu trúc mái hiện có.
Lắp đặt: Nền gỗ và hệ thống cố định
Mái ngói đất sét Nhật Bản được lắp đặt trên một kết cấu phụ bằng gỗ bao gồm xà nhà, ván ngang và lớp phủ mái liên tục bằng ván tuyết tùng hoặc ván ép kết cấu trong xây dựng hiện đại. Độ dốc mái của mái kawara thường là trong khoảng từ 4/10 đến 6/10 (khoảng 22 đến 31 độ) . Các sân nông hơn có nguy cơ bị nước xâm nhập trong điều kiện có gió; độ dốc cao hơn đòi hỏi phải có thêm lực cản cơ học để ngăn gạch trượt. Các viên gạch được lát theo hàng ngang bắt đầu từ mái hiên và hướng lên trên sườn núi. Mỗi viên ngói được móc vào ván sàn bằng một cái ngòi đúc ở mặt dưới và mỗi viên ngói phủ được phủ một lượng nhỏ vữa đất sét hoặc, theo thực tế hiện đại, được cố định bằng một chiếc kẹp lò xo bằng thép không gỉ gắn vào ván sàn.
Ngói mái hiên được lắp đặt lớp đầu tiên và chúng tạo sự thẳng hàng cho toàn bộ mái nhà. Một mép nhỏ giọt bằng đồng hoặc thép không gỉ được gắn chặt vào tấm bảng và các viên ngói được nối dây vào lớp bọc thông qua các lỗ được tạo hình sẵn trên thân ngói. Gờ là công đoạn cuối cùng: một tấm ván gỗ nâng lên được phủ một lớp vữa vôi shikkui liên tục, các viên ngói được đặt vào vữa bằng dây buộc bằng dây đồng, và một lớp vữa cuối cùng được tạo hình trên các viên gạch để tạo ra sự chuyển tiếp êm ái, khí động học giúp ngăn gió lọt vào bên dưới các ngói lợp. Cụm mái nhà là bộ phận dễ bị hư hại nhất do bão và phương pháp hiện đại gia cố nó bằng dây đai bằng thép không gỉ để buộc các mái ngói vào cấu trúc mái một cách cơ học.
Bảo trì, kiểm soát rêu và tuổi thọ sử dụng
Mái ngói đất sét Nhật Bản được sản xuất tốt và lắp đặt đúng cách có tuổi thọ có thể vượt quá 50 đến 100 năm đối với thân gạch, mặc dù lớp lót, tấm chắn và vữa gờ có thời gian sử dụng ngắn hơn. Mối quan tâm bảo trì chính là sự phát triển của rêu và địa y, đặc biệt mạnh mẽ trong môi trường ẩm ướt, bóng râm của Nhật Bản. Thân rễ rêu xâm nhập vào các lỗ chân lông cực nhỏ trên bề mặt của gạch hun khói không tráng men và qua nhiều thập kỷ, có thể gây ra hiện tượng nứt vỡ bề mặt khi rễ nở ra và co lại theo chu kỳ độ ẩm. Bảo trì truyền thống bao gồm việc cạo rêu bằng tay định kỳ, một phương pháp tốn nhiều công sức ngày càng được thay thế bằng việc áp dụng phương pháp xử lý chất diệt khuẩn bằng đồng sunfat hoặc benzalkonium clorua để ức chế rêu mọc lại trong vài năm.
Vữa gờ, chịu các chu trình khô và ướt khắc nghiệt nhất, đòi hỏi phải trát lại khoảng mỗi lần. 20 đến 30 năm . Các dây buộc dây đồng ở mái hiên và sườn núi có tuổi thọ sử dụng tương tự trước khi bị ăn mòn, đặc biệt là ở môi trường ven biển có không khí chứa nhiều muối và cần được kiểm tra và thay thế khi chỉ định lại sườn núi. Có thể thay thế từng viên gạch bị nứt hoặc vỡ mà không làm ảnh hưởng đến mái nhà xung quanh bằng cách trượt viên ngói bị hư hỏng ra ngoài và thay viên ngói mới vào, miễn là loại ngói đó vẫn đang được sản xuất. Đối với những viên gạch lịch sử không còn được sản xuất, những viên gạch tận dụng từ các tòa nhà bị phá hủy là nguồn vật liệu thay thế chính và nên giữ lại một lượng gạch dự phòng từ quá trình lắp đặt ban đầu cho mục đích này.
