當(dāng)代建筑的糧食—水泥，是如何制造的，經(jīng)歷了怎樣的發(fā)明過(guò)程？

　　水泥是建筑當(dāng)中的膠凝材料，現(xiàn)代水泥的發(fā)明可以追溯到1756年，我們常見(jiàn)的水泥主要成分是硅酸鹽，硅酸鹽通過(guò)水化反應(yīng)后會(huì)凝結(jié)和硬化，與沙石結(jié)合成牢固的混凝土結(jié)構(gòu)，其余還有鋁酸鹽水泥、硫酸鹽水泥等等。

　　水泥號(hào)稱“當(dāng)代建筑的糧食”，水泥加上地球表面隨處可見(jiàn)的沙石，再與水混合后，就能形成牢固的混凝土結(jié)構(gòu)，可以說(shuō)水泥是建筑行業(yè)中最偉大的發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展有著重要意義，現(xiàn)代水泥的發(fā)明并不是一蹴而就的，其中經(jīng)歷了很多次的改進(jìn)。

　　古代建筑

　　在古時(shí)候，不同文明都發(fā)明了不同的建筑膠凝材料，比如古埃及人使用煅燒石膏作為膠凝材料，古希臘人則使用石灰；后來(lái)羅馬人改進(jìn)了古希臘人的方法，羅馬人先把石灰加水溶解，再與沙子混合成砂漿，有條件的地方還會(huì)加入磨細(xì)的火山灰制成羅馬泥漿，這樣修筑的建筑物更加牢固，使得很多羅馬建筑物保留至今。

　　中國(guó)古代也發(fā)明了獨(dú)特的凝膠材料，比如中國(guó)長(zhǎng)城的修建經(jīng)歷20多個(gè)朝代，其中有一部分使用了石灰進(jìn)行黏合，有的用黃泥漿，有的則用了糯米砂漿等等。

　　在南北朝時(shí)期（公元5世紀(jì)前后），中國(guó)人發(fā)明了一種名為“三合土”的膠凝材料，由石灰、黏土和細(xì)砂組成，到了明朝有了石灰、陶粉和碎石組成的三合土，清朝又有了石灰、爐渣和沙子組成的三合土，三合土與羅馬泥漿很相似，凝固后都具有很高的強(qiáng)度和防水性能，非常適合建造古代大型建筑物。

　　中國(guó)古代的建筑工法在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)領(lǐng)先于西方，其膠凝材料也是豐富多樣，甚至還會(huì)在膠凝材料中加入有機(jī)物（比如糯米湯、桐油、血料等等）改變其特性，但是在16世紀(jì)后，西方科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始逐漸全面超越中國(guó)。

　　現(xiàn)代水泥

　　羅馬砂漿在西方應(yīng)用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，雖然具有很好的強(qiáng)度和防水性，但是羅馬砂漿經(jīng)不起海水的浸泡和沖刷；在18世紀(jì)，英國(guó)航海業(yè)領(lǐng)先全世界，在航海領(lǐng)域中，燈塔可以在很遠(yuǎn)的地方引導(dǎo)船只，但是當(dāng)時(shí)的燈塔經(jīng)常損壞，于是英國(guó)撥款給當(dāng)時(shí)的工程師史密頓，讓他承擔(dān)建設(shè)燈塔的任務(wù)。

　　在1756年，史密頓研究石灰、火山灰和沙子對(duì)砂漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)含有黏土的石灰石經(jīng)過(guò)煅燒細(xì)磨之后，再加水形成的砂漿，在凝固后具有抵抗海水侵蝕的作用，開(kāi)啟了現(xiàn)代水泥的研究之路，他還建造了著名的普利茅斯港大燈塔。

　　在1796年，英國(guó)人派克將黏土質(zhì)石灰?guī)r（泥灰?guī)r）制成料球，在高溫下煅燒后再磨細(xì)，得到一種新的水泥，稱作羅馬水泥（又名天然水泥），并申請(qǐng)了專利。

　　1824年10月24日，英國(guó)泥水匠阿斯譜丁發(fā)明了一種全新的水泥并獲得專利——波特蘭水泥，也就是我們常見(jiàn)的硅酸鹽水泥，波特蘭水泥具有非常好的建筑性能，被譽(yù)為當(dāng)代建筑的糧食，此后的水泥都是對(duì)波特蘭水泥的改進(jìn)。

　　波特蘭水泥最初的制造方法：是把石灰石磨細(xì)，加入定量的黏土，摻水后攪拌均勻形成泥漿，然后再將泥漿置于盤上加熱，干燥后敲碎再進(jìn)行煅燒，待石灰石中的碳酸氣體全部逸出，然后冷卻、打碎和磨細(xì)，就成了硅酸鹽水泥。

　　水泥的水化反應(yīng)

　　水化反應(yīng)是指溶質(zhì)在水中溶解后，溶質(zhì)分子和水分子結(jié)合成水合分子，比如無(wú)水硫酸銅變?yōu)樗蛩徙~：

　　CuSO4+5H2O==CuSO4·5H2O；

　　本質(zhì)上硫酸銅分子和水分子并沒(méi)有在分子層面發(fā)生改變，但是五個(gè)水分子和一個(gè)硫酸銅分子，就能聚在一起形成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

　　一般的硅酸鹽水泥成分是硅酸鈣鹽，主要含有硅酸三鈣（3CaO·SiO2），硅酸二鈣（2CaO·SiO2），鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）、鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）等，這些物質(zhì)都能與水發(fā)生水化反應(yīng)：

　　水泥經(jīng)過(guò)水化反應(yīng)之后，就會(huì)凝固和硬化，與沙子一起形成堅(jiān)硬的混凝土；另外，水化反應(yīng)還受溫度、濕度、水量、添加物等等因素的影響，有的影響最終強(qiáng)度，有的影響凝固時(shí)間，在一些特殊的場(chǎng)合下，需要使用特定功能的水泥。

　　不同功能的水泥

　　經(jīng)過(guò)數(shù)百年的發(fā)展，水泥已經(jīng)形成了一門相當(dāng)專業(yè)的學(xué)科，人們針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，發(fā)明了不同功能的水泥，比如有抗酸性的、抗海水侵蝕的、抗凍的、耐高溫的、速凝的、水下澆筑的等等；另外，在水泥中加入不同的添加劑，也能很大程度上改變水泥的特性。

　　比如下面幾種情況：

　?。?）在抗洪搶險(xiǎn)中使用速凝水泥，以及加入水泥速凝劑，凝固時(shí)間只有幾分鐘。

　?。?）水泥凝固過(guò)程中會(huì)釋放熱量，如果凝固太快，可能會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在形變，于是對(duì)于一些較大的澆筑物，需要加入水泥緩凝劑來(lái)延長(zhǎng)凝固時(shí)間。

　?。?）對(duì)于一些可能處于低溫的建筑物，在水泥中加入防凍劑，來(lái)降低低溫對(duì)混凝土的影響。

　　（4）鋁酸鹽水泥一般具有較高的耐熱性，常在高溫建筑物中使用。

　　相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在2018年全球水泥產(chǎn)量39.5億噸，中國(guó)的水泥產(chǎn)量22.1億噸，占了全球產(chǎn)量的56%；而2018年中國(guó)水泥的進(jìn)口量大約為1360萬(wàn)噸，出口量大約為460萬(wàn)噸，相比產(chǎn)量而言并不多，所以國(guó)內(nèi)水泥生產(chǎn)量基本被國(guó)內(nèi)消化了，這也是我國(guó)基建發(fā)展的體現(xiàn)。