水泥的发明

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水泥是建筑用胶凝材料，硅酸盐水泥是普遍常用的水泥，又称波特兰水泥。水泥的发明经历了一个漫长的历史过程。

西方最初采用黏土作胶凝材料，古埃及人采用尼罗河的泥浆砌筑未经煅烧的土砖。公元前3000年古埃及人采用煅烧石膏作建筑胶凝材料，埃及古金字塔的建造中使用了煅烧石膏。古希腊人将石灰石经煅烧后制得的石灰作为胶凝材料。

古罗马人对石灰使用工艺进行改进，在石灰中不仅掺砂子，还掺磨细的火山灰。这种砂浆在强度和耐水性方面较“石灰－砂子”的二组分砂浆都有很大改善，用其砌筑的普通建筑和水中建筑都较耐久。有人将“石灰－火山灰－砂子”三组分砂浆称之为“罗马砂浆”。在欧洲建筑史上，“罗马砂浆”的应用延续了很长时间。

中国建筑胶凝材料的发展有着自己特有的历史过程。“白灰面”是至今被发现的中国古代最早的建筑胶凝材料。公元前16世纪商代，开始采用黄泥浆砌筑土坯墙。战国时代出现用草拌黄泥浆筑墙，黄泥浆和草拌黄泥浆作为胶凝材料一直沿用到现代社会。

周朝出现石灰，周朝的石灰是用大蛤的外壳烧制而成。到秦汉时代，石灰的使用方法是先将石灰与水混和制成石灰浆体，然后用浆体砌筑条石、砖墙和砖石拱券，以及粉刷墙面。在汉代，石灰的应用已很普遍，采用石灰砌的砖石结构能建造多层楼阁。

万里长城修筑于公元前7世纪至公元17世纪，先后有20多个朝代主持和参与建造。秦、汉、明三个朝代修筑最长，在总长5万公里的长城中修筑了5000余公里。在这三个朝代，石灰胶凝材料大量用于修建长城。

南北朝时代，出现一种名叫“三合土”的建筑材料，它由石灰、黏土和细砂所组成。到明代，有石灰、陶粉和碎石组成的“三合土”。在清代、除石灰、黏土和细砂组成的“三合土”外，还有石灰、炉渣与砂子组成的“三合土”。“三合土”与古“罗马砂浆”有许多类似之处，这是一个很有趣的历史巧合。“三合土”一般用作地面、屋面、房基和地面垫层。“三合土”经夯实后不仅具有较高的强度，还有较好的防水性，在清代还将它用于夯筑水坝。

中国古代建筑胶凝材料发展中一个鲜明特点是采用石灰掺有机物有胶凝材料，如“石灰－糯米”，“石灰－桐油”，“石灰－血料”，“石灰－白芨”，以及“石灰－糯米－明矾”等。

近几个世纪以来中国落后了，尤其是到清朝乾隆年间末期，科学技术与西方差距愈来愈大。西方古代建筑胶凝材料在“罗马砂浆”的基础上继续发展，朝着现代水泥的方向不断提高，最终发明水泥。

1756年被尊称为英国土木之父的工程师史密顿（J.Smeaton）在建造灯塔的过程中，发现含有黏土的石灰石，经煅烧和细磨处理后，加水制成的砂浆能慢慢硬化，在海水中的强度较“罗马砂浆”高得多，能耐海水的冲刷。史密顿使用新发现的砂浆建造了举世闻名的普利茅斯塔的漩岩（Eddystone）大灯塔。用含黏土石灰石制成的石灰被称为水硬性石灰。斯密顿的这一发现是水泥发明过程中知识积累的一大飞跃。

1796年，英国人派克（J.Parker）将黏土质石灰岩，磨细后制成料球，在高于烧石灰的温度下煅烧，然后进行磨细制成水泥。派克称这种水泥为“罗马水泥”（Roman Cement），并取得了该水泥的专利权。“罗马水泥”凝结较快，可用于与水接触的工程，在英国曾得到广泛应用，一直沿用到被“波特兰水泥”所取代。

英国人福斯特（J.FOSTER）将两份重量白垩和一份重量黏土混和后加水湿磨成泥浆，送入料槽进行沉淀，置沉淀物于大气中干燥，然后放入石灰窑中煅烧，温度以料子中碳酸气完全挥发为准，烧成产品呈浅黄色，冷却后细磨成水泥。福斯特称该水泥为“英国水泥”（British Cement）,于1822年10月22日获得英国第4679号专利。这种水泥虽然未被大量推广，但其制造方法已是近代水泥制造的雏型，是水泥知识积累中的又一次重大飞跃。

1824年10月21日，英国泥水匠阿斯普丁（J.As-pdin） 获得英国第5022号的“波特兰水泥”专利证书，从而一举成为流芳百世的水泥发明人。他的专利证书上叙述的“波特兰水泥”制造方法是：“把石灰石捣成细粉，配合一定量黏土，掺水后以人工或机械搅和均匀成泥浆。置泥浆于盘上，加热干燥。将干料打击成块，然后装入石灰窑煅烧，烧至石灰石内碳酸气全部逸出。煅烧后的烧块再将其冷却和打碎磨细，制成水泥。使用水泥时加入少量水分，拌和成适当稠度的砂浆，可应用于各种不同的工作场合。”该水泥水化硬化后的颜色类似英国波特兰地区建筑用石料的颜色，所以被称之为“波特兰水泥”。

阿斯普丁专利证书上所叙述的“波特兰水泥”制造方法，与福斯特的“英国水泥”并无根本差别。根据水泥生产一般常识，其质量不可能优于“英国水泥”，然而在市场上“波特兰水泥”竞争力大于“英国水泥”。1838年重建泰晤士河隧道工程时，“波特兰水泥”价格比“英国水泥”要高很多，但业主还是选用了“波特兰水泥”。很明显，阿斯普丁出于保密原因在专利证书上并未把“波特兰水泥”生产技术都写出来，他实际掌握的水泥生产知识比专利证书上表明的要多。

不过，根据专利证书所载内容和有关资料，阿斯普丁未能掌握“波特兰水泥”确切的烧成温度和正确的原料配比，因此他的工厂生产出的产品质量很不稳定，甚至造成有些建筑物因水泥质量问题而倒塌。

在英国，与阿斯普丁同时代的另一位水泥研究天才是强生（I.C.Johnson）。他专门制造“罗马水泥”和“英国水泥”。1845年，强生在实验中偶然发现，煅烧到含有一定数量玻璃体的水泥烧块，经磨细后具有非常好的水硬性。另外还发现，在烧成物中含有石灰会使水泥硬化后开裂。根据这些意外发现，强生确定了水泥制造的两个基本条件：第一是烧窑的温度必须高到足以使烧块含一定量玻璃体并呈黑绿色；第二是原料比例必须正确而固定，烧成物内部不能含过量石灰，水泥硬化后不能开裂。这些条件确保了“波特兰水泥”质量，解决了阿斯普丁无法解决的质量不稳定的问题。从此，现代水泥生产的基本参数已被发现。

   1909年，强生98岁高龄时，向英国政府提出申诉，说他于1845年制成的水泥才是真正的“波特兰水泥”，阿斯普丁并未做出质量稳定的水泥，不能称他为“波特兰水泥”的发明者。然而，英国政府没有同意强生的申诉，仍旧维持阿斯普丁具有“波特兰水泥”专利权的决定。英国和德国的同行们对强生的工作有很高评价，认为他对“波特兰水泥”的发明作出了不可磨灭的重要贡献。