水泥（Cement）（一）

水泥（Cement）（一）
臺北市立第一女子高級中學化學科何鎮揚老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

水泥是非常重要的基礎建築材料，與水混合後，經過物理化學過程能由可塑性漿體變成堅硬而具有一定強度的石狀體，並能將散粒材料膠結成為整體。水泥是一種水硬性膠凝材料，即一種細磨的無機材料，通過水化過程發生凝結和硬化，硬化後甚至在水中也可保持強度和穩定性。

一、水泥的歷史
古代的希臘人與羅馬人使用了一種石灰和火山灰的混合物，在摻水後緩慢反應變成堅硬的固體，建造了無數的道路、城牆、溝渠等工程，這種混合物就是最早的水泥。

在20世紀中期，考古學家在南歐發現了古代燒窯，顯示遠在四千多年前，人類就已經利用石灰石來製作灰泥－石灰與砂的混合物。

英國人和俄國人都在 1820 年代發明了水泥。在1824年，「英國人阿斯普丁（Joseph Aspdin）」發明了用黏土和石灰煅燒而得到水泥的方法，並且取得英國的專利權。這種水泥的主要成分是氧化鈣和氧化矽，也就是矽酸鈣，是一種矽酸鹽。用它製成的混凝土，硬化以後，硬度、外觀和顏色，都跟當時英國波特蘭島上所產的波特蘭石材很相近，所以取名為「波特蘭水泥」（Portland cement）。

在俄國最早發明水泥的是一位建築師契利耶夫。1820 年前後，契利耶夫在莫斯科從事建築工作時，也嘗試用石灰與黏土混合起來煅燒製造出水泥。他使用這種新材料建造了許多建築物，其中最著名的是修復克里姆林宮的牆垣。

二、水泥的種類
水泥的種類繁多，按其礦物組成分為矽酸鹽水泥（又名波特蘭水泥，portland cement，主要水硬性物質是矽酸鈣）、鋁酸鹽類水泥（主要水硬性物質是鋁酸鈣）、硫鋁酸鹽水泥（主要水硬性物質是硫鋁酸鈣）、氟鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。它們的水硬性物質不同，因而性能也各異，如鋁酸鹽類水泥凝結速度快，硫鋁酸鹽水泥硬化後體積會膨脹等。而按其用途和性能又分為通用水泥（用於一般的建築工程，主要是矽酸鹽類的五種水泥）、專用水泥（適應於專門用途的水泥：大壩水泥、油井水泥、砌築水泥等）和特性水泥（具有比較突出的某種性能的水泥：膨脹水泥、低熱水泥、彩色水泥、白水泥等）三大類。

三、水泥的製造
普通矽酸鹽水泥以石灰石、黏土作原料，在高溫下發生複雜的物理、化學變化，經熔化、冷卻後，再在熟料中加入3%以下的石膏以控制凝結速度，即得普通矽酸鹽水泥。主要製作過程如下：

生料經上述燒結成塊，得到熟料，再經碾磨成細粉，加少量石膏，用以調解水泥的固化時間，即得水泥成品。

四、水泥的凝固
水泥加水後的凝結、硬化包括很複雜的物理化學變化過程，首先水泥微粒表面成分發生水化，水解反應：

矽酸鹽水泥與水反應，主要形成四個化合物：氫氧化鈣、含水矽酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣，它們共同決定水泥硬化過程特性變化。水泥凝結硬化過程大致分為三個階段：溶解水化期（準備期）、膠化期（凝結期）和結晶期（硬化期）。

水泥的水化初期是水泥微粒表面形成水化物膜，水化產物層不斷增厚，其中包含較多膠體尺寸的晶體結構。隨著水化反應的不斷進行，各種水化產物逐漸填滿原來由水所佔據的空間，固體粒子逐漸接近，水泥水化硬化。硬化水泥漿體是由無數鈣礬石的針狀晶體和多種形貌的水化矽酸鈣，再夾雜著六方板狀的氫氧化鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣等晶體交織在一起而形成的，它們密集連生交叉結合，又受到顆粒間的凡德瓦力或化合鍵的影響。硬化水泥漿就成為由無數晶體編織而成的“毛氈”，具有強度。因此，水化產物的形貌、表面結構以及生長的情況等，就成為水泥強度產生差異的關鍵因素。一般，容易相互交叉的纖維狀、針狀、棱柱狀或六方板狀等水化產物所構成的漿體強度較高；而立方體、近似於球狀的多面體等則強度較低。當水化產物的原子或離子配位不規則，電荷分佈有偏置時，結構不穩定，表面能大，相互之間就會產生很大的結合力。另外，當生成的水化產物粒子形態和尺寸各異、大小不一時，較易鑲嵌結合，形成較為緊密的堆積，表現出較高的強度。

水泥硬化後初期，生成的游離氫氧化鈣微溶於水，通過吸收空氣中二氧化碳，反應生成難溶性碳酸鈣堅硬外殼，可阻止內部氫氧化鈣繼續溶解。

請參閱水泥（Cement）（二）閱讀