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    當代建筑的糧食—水泥,是如何制造的,經歷了怎樣的發明過程?

    來源:網絡整合 日期:2020-6-22

    水泥是建筑當中的膠凝材料,現代水泥的發明可以追溯到1756年,我們常見的水泥主要成分是硅酸鹽,硅酸鹽通過水化反應后會凝結和硬化,與沙石結合成牢固的混凝土結構,其余還有鋁酸鹽水泥、硫酸鹽水泥等等。

    水泥號稱“當代建筑的糧食”,水泥加上地球表面隨處可見的沙石,再與水混合后,就能形成牢固的混凝土結構,可以說水泥是建筑行業中最偉大的發明,對人類社會的發展有著重要意義,現代水泥的發明并不是一蹴而就的,其中經歷了很多次的改進。

    古代建筑

    在古時候,不同文明都發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;后來羅馬人改進了古希臘人的方法,羅馬人先把石灰加水溶解,再與沙子混合成砂漿,有條件的地方還會加入磨細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。

    中國古代也發明了獨特的凝膠材料,比如中國長城的修建經歷20多個朝代,其中有一部分使用了石灰進行黏合,有的用黃泥漿,有的則用了糯米砂漿等等。

    在南北朝時期(公元5世紀前后),中國人發明了一種名為“三合土”的膠凝材料,由石灰、黏土和細砂組成,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度和防水性能,非常適合建造古代大型建筑物。

    中國古代的建筑工法在很長一段時間內領先于西方,其膠凝材料也是豐富多樣,甚至還會在膠凝材料中加入有機物(比如糯米湯、桐油、血料等等)改變其特性,但是在16世紀后,西方科學技術的發展,開始逐漸全面超越中國。

    現代水泥

    羅馬砂漿在西方應用了很長一段時間,雖然具有很好的強度和防水性,但是羅馬砂漿經不起海水的浸泡和沖刷;在18世紀,英國航海業領先全世界,在航海領域中,燈塔可以在很遠的地方引導船只,但是當時的燈塔經常損壞,于是英國撥款給當時的工程師史密頓,讓他承擔建設燈塔的任務。

    在1756年,史密頓研究石灰、火山灰和沙子對砂漿性能的影響,發現含有黏土的石灰石經過煅燒細磨之后,再加水形成的砂漿,在凝固后具有抵抗海水侵蝕的作用,開啟了現代水泥的研究之路,他還建造了著名的普利茅斯港大燈塔。

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

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

    波特蘭水泥最初的制造方法:是把石灰石磨細,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,就成了硅酸鹽水泥。

    水泥的水化反應

    水化反應是指溶質在水中溶解后,溶質分子和水分子結合成水合分子,比如無水硫酸銅變為水硫酸銅:

    CuSO4+5H2O==CuSO4·5H2O;

    本質上硫酸銅分子和水分子并沒有在分子層面發生改變,但是五個水分子和一個硫酸銅分子,就能聚在一起形成相對穩定的結構。

    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,這些物質都能與水發生水化反應:

    水泥經過水化反應之后,就會凝固和硬化,與沙子一起形成堅硬的混凝土;另外,水化反應還受溫度、濕度、水量、添加物等等因素的影響,有的影響最終強度,有的影響凝固時間,在一些特殊的場合下,需要使用特定功能的水泥。

    不同功能的水泥

    經過數百年的發展,水泥已經形成了一門相當專業的學科,人們針對不同的應用場合,發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:

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

    (2)水泥凝固過程中會釋放熱量,如果凝固太快,可能會導致混凝土內部存在形變,于是對于一些較大的澆筑物,需要加入水泥緩凝劑來延長凝固時間。

    (3)對于一些可能處于低溫的建筑物,在水泥中加入防凍劑,來降低低溫對混凝土的影響。

    (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。

    ……

    相關數據顯示,在2018年全球水泥產量39.5億噸,中國的水泥產量22.1億噸,占了全球產量的56%;而2018年中國水泥的進口量大約為1360萬噸,出口量大約為460萬噸,相比產量而言并不多,所以國內水泥生產量基本被國內消化了,這也是我國基建發展的體現。

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