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。
1.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**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。
2.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**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。