它是水泥建筑中的胶结材料。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,经过水化反应后会凝结硬化,与砂结合形成坚固的混凝土结构。其余为铝酸盐水泥、硫酸盐水泥等。
水泥被誉为“当代建筑的颗粒”。当水泥与地球表面随处可见的砂石混合在一起时,就能形成坚固的混凝土结构。可以说水泥是建筑行业最伟大的发明,对人类社会的发展意义重大。现代水泥的发明不是一夜之间发生的,它经历了许多改进。
古代建筑
在古代,不同的文明发明了不同的建筑胶凝材料。比如古埃及人用煅烧石膏做胶凝材料,古希腊人用石灰;后来,罗马人改进了古希腊人的方法。罗马人首先用水溶解石灰,然后将其与沙子混合形成砂浆。有条件的地方会加入磨细的火山灰来制作罗马泥。因此,用这种方法建造的建筑更加坚固,许多罗马建筑至今仍被保留下来。
在古代,中国还发明了独特的凝胶材料。比如中国的长城,经历了20多个朝代,有的用石灰粘合,有的用黄泥粘合,有的用糯米砂浆粘合,等等。
南北朝时期(公元5世纪左右),中国人发明了一种叫“三重粘土”的胶结材料,由石灰、粘土和细砂组成。明代发现由石灰、陶粉、碎石组成的三重粘土,清代发现由石灰、矿渣、砂组成的三重粘土。它与罗马泥非常相似,凝固后具有很高的强度和防水性能,因此非常适合建造古代大型建筑。
很长一段时间,中国的古代建筑方法领先于西方,其胶凝材料也是丰富多样,甚至还有有机物(如糯米汤、桐油、血料等。)添加到水泥材料中以改变它们的特性。但16世纪以后,西方科技发展逐渐超过中国。
现代水泥
罗马迫击炮在西方已经使用了很长时间。虽然有很好的强度和防水性,但是经不起海水的浸泡和侵蚀。18世纪,英国海运业领先世界。在航海领域,灯塔可以远距离引导船只,但当时的灯塔经常受损,于是英国拨款给当时的工程师史密斯顿,让他承担建造灯塔的任务。
1756年,史密斯顿研究了石灰、火山灰和沙子对砂浆性能的影响,发现含有粘土的石灰石煅烧研磨后加水形成的砂浆,凝固后具有抵抗海水侵蚀的作用,开启了现代水泥研究之路。他还建造了著名的普利茅斯港灯塔。
1796年,英国派克将粘土石灰石(泥灰岩)制成颗粒,高温煅烧后研磨,得到一种新水泥,称为罗马水泥(又称天然水泥),并申请了专利。
1824年10月24日,英国泥水匠阿斯普丁发明了一种全新的水泥,并获得了专利——波特兰水泥,也就是我们常见的波特兰水泥。硅酸盐水泥具有非常好的建筑性能,被誉为当代建筑的食物。从那时起,水泥就是波特兰水泥的改进品。
硅酸盐水泥最初的制造方法是:将石灰石磨细,加入一定量的粘土,与水混合,搅拌均匀成浆。然后,将浆料在板上加热、干燥、破碎,然后煅烧。当石灰石中的所有碳酸气体逸出后,它被冷却、破碎并研磨成波特兰水泥。
水泥的水合反应
水合反应是指溶质溶于水后,溶质分子与水分子结合形成水合分子,如无水硫酸铜变成五水硫酸铜:
cuso 4+5H2O = = cuso 4·5H2O;
本质上,硫酸铜分子和水分子在分子水平上没有变化,但是五个水分子和一个硫酸铜分子可以聚在一起,形成一个相对稳定的结构。
普通硅酸盐水泥由硅酸钙组成,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。这些物质可以与水水合:
水化反应后,水泥会凝固硬化,与砂一起形成坚硬的混凝土;此外,水化反应还受温度、湿度、水量、添加剂等因素的影响,有些影响最终强度,有些影响凝结时间。在一些特殊场合,需要使用特定功能的水泥。
不同功能的水泥
经过几百年的发展,水泥已经成为一门相当专业的学科。人们针对不同的应用发明了不同功能的水泥,如耐酸、耐海水侵蚀、抗冻、耐高温、速凝、水下浇筑等。此外,在水泥中加入不同的添加剂也能极大地改变水泥的特性。
例如,以下情况:
(1)抗洪抢险使用速凝水泥,并添加水泥速凝剂。凝固时间只有几分钟。
(2)水泥在凝固过程中会释放热量。如果凝固得太快,可能会导致混凝土变形。因此,对于一些大体积混凝土,需要添加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,在水泥中加入防冻剂,减少低温对混凝土的影响。
(4)铝酸盐水泥一般耐热性高,常用于高温建筑。
……
相关数据显示,2018年全球水泥产量39.5亿吨,中国水泥产量22.1亿吨,占全球产量的56%;2018年中国水泥进口量约1360万吨,出口量约460万吨,与产量相比并不多。所以国内的水泥产量基本被中国消化了,这也是中国基础设施发展的体现。
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