水泥為什麼會硬？

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木系建築材料專業博士

　　前些天，在《看了那麼多大樓和大橋，但你真的了解混凝土嗎？》一文中，我們給大家介紹了混凝土（俗稱「水泥」，不過嚴格意義上講，其實水泥和混凝土並不完全劃等號，我們下面會詳細介紹）的技術演變歷程。在這一發展過程中，中國發揮了巨大的作用：研製出了集減水、緩凝、引氣等功效於一體的外加劑，控制了混凝土的凝結時間；優化了骨料的級配，提升了混凝土的流動性和密實度；改進了泵管，讓泵管上密布感測器，測量並監控混凝土的泵壓以及泵管的磨損情況……解決了高性能泵送混凝土的各項「疑難雜症」。

　　中國的混凝土技術這麼厲害，可是，你知道集高科技和接地氣於一身的混凝土為什麼能夠幫助人類蓋起那麼多高樓大廈嗎？我們從頭說起。

（一）古代蓋高樓難，主要是因為沒「水泥」

　　熟悉歷史的人都知道，在古代，建築的主流是平房。要想把房子蓋個二三層，那可是一件成本頗高的事情。即使是哪位權勢熏天的國王或者教皇想修一座摩天的皇宮或者教堂，也往往只是外面高，其實裡面還是單層的。至於普通的民居，尤其是在樹木匱乏的北方，那就乾脆從內到外都是單層的了。

　　（作為古代建築的巔峰代表，教堂的內部也是單層結構）

　　可是到了20世紀，高層建築卻好像一下子不值錢了起來。城市裡的普通民居蓋到二、三十層變得十分常見，摩天大樓更是動輒五六百米高。

　　那究竟是什麼，把人們從土坯房裡，搬到了曾經連皇帝也住不上的高樓大廈中呢？

　　答案就是水泥的發明。

　　古代的建築之所以蓋不出多層來，最根本的原因，是缺少一類東西：抗彎構件，也就是梁和樓板。

　　牆和柱子很好辦，用石頭、磚頭，甚至夯土都可以。可是你無法把磚頭砌成懸空的板，何況還要在上面擺傢具、住人。可以想像，如果有人這樣做，「磚頭梁」的下部就會裂開，然後噼里啪啦地掉磚頭。在古代，梁和樓板都只能由木材來做。木材內部的纖維結構使其勉強可以承擔拉應力，可是天然的長木材本身就很寶貴，加之木材很軟，應用場合有限，因此高層的木結構也難以推廣。要修一座十層左右的木塔，需舉全國之力來完成，這也難怪老百姓只能住平房了。

　　（梁的受力示意圖。梁的底部受拉力，在古代，無論是磚頭還是石材都無法抗拉，只有木頭可以勉強勝任）

　　這樣的主流建築形式一直持續到了19世紀，直到1824年，英國的花匠阿斯普丁將石灰石與黏土混合煅燒，發明了我們當代人使用的水泥。自此，這種神奇的材料讓建築的面貌發生了翻天覆地的改變。

　　只需將這種灰色的粉末與水、砂子、石子拌在一起，澆築成你希望的形狀，過幾天它就變得硬如岩石；只要在裡面配上幾根鋼筋，不管是梁、板，還是柱、牆，所有工作它自己就可以勝任。理論上講，只要設計合理、計算精準，用混凝土蓋房子，可以想蓋多高蓋多高、想蓋多少層蓋多少層。

　　（左邊是水泥，它加了砂子、石子和水之後才叫混凝土，可不要搞錯了。）

　　而這一切「現代科技的奇蹟」，本質上都來自於這種灰色粉末——水泥的硬化性能。那你有沒有想過，水泥為什麼會硬呢？

（二）從成分上來說，「水泥」究竟是什麼？

　　我們一般見到的水泥又稱硅酸鹽水泥。從化學上講，它的主要成分是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，以前兩者為主。

　　可見，水泥中最重要的組分是兩種：一是鈣，二是硅。相應地，水泥由兩類原料共同燒制而成：一是石灰石，也就是碳酸鈣；二是黏土類礦物，也就是硅的提供者。在1450℃的高溫下，石灰石分解成了氧化鈣與二氧化碳，其中二氧化碳排出，氧化鈣又繼續與黏土類礦物在高溫下反應、融合，形成了有膠凝性能的材料，這種被高溫「做熟了」的材料被形象地稱為「熟料」。

　　（這些像石頭一樣的東西就是水泥熟料）

　　這些熟料隨後被大功率的鼓風機極速冷卻下來。這樣，在高溫下不穩定的微觀結構就被保持了下來。只有保持了活潑的微觀結構，水泥才有水化活性，未來才可以和水反應、凝結硬化。如果冷卻的速度慢，水泥內部的分子結構就會逐漸變得規律起來，硅原子之間的結合就會變得十分穩定，穩定到了極致就成了最惰性的東西——砂子。驟冷之後，這些熟料被磨碎成幾微米到幾十微米粗細的粉末，並添加少量的石膏以控制其反應時間。

　　（水泥顆粒的微觀形貌，看起來就像是光滑的小石子）

　　這樣，水泥的生產就算完成了。

（三）一個研究了上百年的問題：「水泥」為什麼會硬？

　　關於這個問題，成百上千的科學家已經研究了上百年，在細節上至今仍有爭議。但其基本過程已經形成了共識。總的來說，水泥的水化，就像是一群刺蝟，從光滑的肉球中長出了刺，然後依靠這些「刺」互相扎在一起。只不過，這些刺蝟只有幾微米大，它們的刺更是只有幾個納米。所以，從宏觀上看，就是一塊天衣無縫的堅硬岩石了。

　　（水泥的膠結機理就類似於這些扎在一起的蒼耳）

　　在施工之前，我們將水泥與水，還有一些砂子石子拌在一起（通常是1份水、2-3份水泥）。砂子和石子基本不參加反應，硬化主要靠水泥與水。在水泥粉末剛剛與水接觸時，表面會發生些許的溶解，顆粒中的鈣離子溶解進水中，形成強鹼性的溶液。在鹼性溶液的刺激下，水泥顆粒表面那些比較活躍的硅氧鍵就會斷裂，硅元素也進入溶液中，並與水結合。

　　（水泥中最不活躍的硅氧鍵就屬於這種石英。無論你用多麼強的鹼去刺激它，它也絕對不可能溶解）

　　短短几個小時過去，水中的鈣、硅濃度都變得相當高。這時，它們就會結合形成無數個水化硅酸鈣（C-S-H）小顆粒覆蓋在水泥的表面，形成一個C-S-H薄殼。在接下來的幾個小時里，水泥顆粒逐漸溶解、縮小，開始離這層薄殼越來越遠；而構成這層薄殼的無數小顆粒就像無數顆種子，細長的C-S-H纖維以此為起點，不僅向外生長，也向內生長。向內生長的纖維將水泥顆粒與薄殼緊密相連，向外生長的纖維則將不同的水泥顆粒聯結在一起。

　　（水泥水化的微觀過程，可以看到水泥顆粒與外面的一層殼）

　　隨著時間的進展，水泥與水逐漸消耗了，而這些纖維之間的聯結越來越緊密，最後形成了一個堅實的整體，即使在電子顯微鏡下也分不清彼此了。這時的產物被稱為「水泥石」。在我們看到的尺度上，就是水泥「凍硬了」。而隨著水的消耗，水泥漿黑色的外表也逐漸褪去，變成了灰白色。再經過必要的養護，這塊混凝土就算是可以用啦。

　　（水泥形成強度的過程，帶「毛刺」的水泥顆粒相互搭接在一起）

　　（新拌混凝土和硬化的混凝土）

（四）其實，「水泥」是一種「有生命的材料」

　　短短一周時間，稀泥一樣的混凝土就可以像石頭一樣為我們負擔起大樓和路面的重量了。但其實，外表平靜的混凝土，內部的反應仍未停止。

　　隨著水泥顆粒越縮越小，水分與水泥顆粒開始被水化產物——這些越來越緻密的C-S-H纖維所隔絕。水泥顆粒有大有小，越大的水泥顆粒，剩的越多：對於那些10微米以下的小顆粒，一個月內可以完全反應完，轉化成有強度的水泥石；而20微米的顆粒，中間就要剩下54%未反應；而那些60微米以上的水泥顆粒就非常可憐了，超過90%的部分都未參加反應。因此，許多水泥廠家為了避免這種「浪費」，就將水泥磨得儘可能細，把大顆粒也打碎，這樣既增加了水泥的利用效率，又提高了強度，在此基礎上還可以降低水泥用量，節約成本。一舉多得，豈不美哉？

　　然而，這些大顆粒未反應的水泥真的是無用的嗎？並非如此。

　　在使用過程中，由於外界荷載、自身老化等原因，材料都會產生各種各樣的裂紋和缺陷，進而影響性能。

　　對於一般的材料，性能一旦下降，不論再怎麼維護，都最多只能保持現在的狀態，不可能像人一樣，生了病可以被醫生「治好」。

　　但是混凝土不一樣，在它出現了裂縫之後，空氣中的水分就會進入混凝土中，這時，那些原本沒反應的大顆粒水泥就派上了用場。它們被裂縫暴露出來，與水分反應，進而讓裂縫癒合。混凝土的「病」可以被它自己治好，不僅能控制裂縫發展，甚至能恢復到更好的狀態，是不是很神奇？有些五十年代建好的建築，當時的強度不高。可是六十多年過去了，現在的強度卻發展到了頂峰。這背後正是這些大顆粒水泥在起作用。

　　而將水泥顆粒磨得太細，雖然當時的強度上去了，但是過後，用這種水泥拌合的混凝土就很難擁有上面介紹的這種自愈能力。從這個角度看，混凝土就像是有生命的，它有自己的出生、成長、強壯、衰老和死亡的過程，生了病還可以「治療」。一塊混凝土如果在早期強度成長的太快，那麼後期就會難以為繼，甚至發生「早衰」，過早地發生強度下降，甚至退出工作。是不是很像人的一生？

　　下次早晨起床，記得要和你的房間打聲招呼哦。

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編輯| 史文慧

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