当代建筑的粮食—水泥，是如何制造的，经历了怎样的发明过程？
水泥 艾伯史密斯 2020-01-06
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水泥是建筑当中的胶凝材料，现代水泥的发明可以追溯到1756年，我们常见的水泥主要成分是硅酸盐，硅酸盐通过水化反应后会凝结和硬化，与沙石结合成牢固的混凝土结构，其余还有铝酸盐水泥、硫酸盐水泥等等。
水泥号称“当代建筑的粮食”，水泥加上地球表面随处可见的沙石，再与水混合后，就能形成牢固的混凝土结构，可以说水泥是建筑行业中最伟大的发明，对人类社会的发展有着重要意义，现代水泥的发明并不是一蹴而就的，其中经历了很多次的改进。
古代建筑
在古时候，不同文明都发明了不同的建筑胶凝材料，比如古埃及人使用煅烧石膏作为胶凝材料，古希腊人则使用石灰；后来罗马人改进了古希腊人的方法，罗马人先把石灰加水溶解，再与沙子混合成砂浆，有条件的地方还会加入磨细的火山灰制成罗马泥浆，这样修筑的建筑物更加牢固，使得很多罗马建筑物保留至今。
中国古代也发明了独特的凝胶材料，比如中国长城的修建经历20多个朝代，其中有一部分使用了石灰进行黏合，有的用黄泥浆，有的则用了糯米砂浆等等。
在南北朝时期（公元5世纪前后），中国人发明了一种名为“三合土”的胶凝材料，由石灰、黏土和细砂组成，到了明朝有了石灰、陶粉和碎石组成的三合土，清朝又有了石灰、炉渣和沙子组成的三合土，三合土与罗马泥浆很相似，凝固后都具有很高的强度和防水性能，非常适合建造古代大型建筑物。
中国古代的建筑工法在很长一段时间内领先于西方，其胶凝材料也是丰富多样，甚至还会在胶凝材料中加入有机物（比如糯米汤、桐油、血料等等）改变其特性，但是在16世纪后，西方科学技术的发展，开始逐渐全面超越中国。
现代水泥
罗马砂浆在西方应用了很长一段时间，虽然具有很好的强度和防水性，但是罗马砂浆经不起海水的浸泡和冲刷；在18世纪，英国航海业领先全世界，在航海领域中，灯塔可以在很远的地方引导船只，但是当时的灯塔经常损坏，于是英国拨款给当时的工程师史密顿，让他承担建设灯塔的任务。
在1756年，史密顿研究石灰、火山灰和沙子对砂浆性能的影响，发现含有黏土的石灰石经过煅烧细磨之后，再加水形成的砂浆，在凝固后具有抵抗海水侵蚀的作用，开启了现代水泥的研究之路，他还建造了著名的普利茅斯港大灯塔。
在1796年，英国人派克将黏土质石灰岩（泥灰岩）制成料球，在高温下煅烧后再磨细，得到一种新的水泥，称作罗马水泥（又名天然水泥），并申请了专利。
1824年10月24日，英国泥水匠阿斯谱丁发明了一种全新的水泥并获得专利——波特兰水泥，也就是我们常见的硅酸盐水泥，波特兰水泥具有非常好的建筑性能，被誉为当代建筑的粮食，此后的水泥都是对波特兰水泥的改进。
波特兰水泥最初的制造方法：是把石灰石磨细，加入定量的黏土，掺水后搅拌均匀形成泥浆，然后再将泥浆置于盘上加热，干燥后敲碎再进行煅烧，待石灰石中的碳酸气体全部逸出，然后冷却、打碎和磨细，就成了硅酸盐水泥。
水泥的水化反应
水化反应是指溶质在水中溶解后，溶质分子和水分子结合成水合分子，比如无水硫酸铜变为水硫酸铜：
CuSO4+5H2O==CuSO4·5H2O；
本质上硫酸铜分子和水分子并没有在分子层面发生改变，但是五个水分子和一个硫酸铜分子，就能聚在一起形成相对稳定的结构。
一般的硅酸盐水泥成分是硅酸钙盐，主要含有硅酸三钙（3CaO·SiO2），硅酸二钙（2CaO·SiO2），铝酸三钙（3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）等，这些物质都能与水发生水化反应：
水泥经过水化反应之后，就会凝固和硬化，与沙子一起形成坚硬的混凝土；另外，水化反应还受温度、湿度、水量、添加物等等因素的影响，有的影响最终强度，有的影响凝固时间，在一些特殊的场合下，需要使用特定功能的水泥。
不同功能的水泥
经过数百年的发展，水泥已经形成了一门相当专业的学科，人们针对不同的应用场合，发明了不同功能的水泥，比如有抗酸性的、抗海水侵蚀的、抗冻的、耐高温的、速凝的、水下浇筑的等等；另外，在水泥中加入不同的添加剂，也能很大程度上改变水泥的特性。
比如下面几种情况：
（1）在抗洪抢险中使用速凝水泥，以及加入水泥速凝剂，凝固时间只有几分钟。
（2）水泥凝固过程中会释放热量，如果凝固太快，可能会导致混凝土内部存在形变，于是对于一些较大的浇筑物，需要加入水泥缓凝剂来延长凝固时间。
（3）对于一些可能处于低温的建筑物，在水泥中加入防冻剂，来降低低温对混凝土的影响。
（4）铝酸盐水泥一般具有较高的耐热性，常在高温建筑物中使用。
相关数据显示，在2018年全球水泥产量39.5亿吨，中国的水泥产量22.1亿吨，占了全球产量的56%；而2018年中国水泥的进口量大约为1360万吨，出口量大约为460万吨，相比产量而言并不多，所以国内水泥生产量基本被国内消化了，这也是我国基建发展的体现。
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