為什麼水泥加水就能變硬?混凝土的壽命真的只有五十年嗎

2020-12-09 科學角度觀世界

水泥最早是在1824年被英國約瑟夫·阿斯普丁所發明，在那之前，人類並沒有水泥的概念，那個時候的建築物一般都是使用木頭或者泥土來進行建造，不過在古羅馬時期，人們已經會使用火山灰和石灰加水來作為建築的粘合劑，這樣能讓建築物變得更加堅硬，但那個時候的人們並不知道其中的原因。只是後來的約瑟夫·阿斯普丁通過研究發現：石灰、黏土和礦渣按照一定的比例混合併進行煅燒，經過煅燒之後的產物磨細後通過加水便能夠直接硬化，強度很大，能與英國波特蘭島上的天然石材相媲美，於是人們又稱之為「波特蘭水泥」。

古羅馬建築遺址

在1824年英國約瑟夫·阿斯普丁發明了水泥之後並申請了專利，水泥才被大批量的開始使用，目前僅我國每年水泥的產量就近二十億噸，需求量十分巨大。水泥可以說是對人類最大貢獻的發明之一。那麼為什麼水泥一加水就會神奇地變硬呢？我們先來了解這個問題。

水泥製造以及硬化原理

水泥製造常見的水泥一般都是矽酸鹽水泥，製造這類水泥的原料主要是石灰石、黏土和細砂，石灰石主要是提供碳酸鈣，而黏土和細砂可以提供水泥中所需的矽。為了節省時間和運輸成本，水泥廠一般會直接建在露天開採的石灰石礦場旁。

石灰石會使用爆破技術進行開採，開採出來的都是巨大的石塊，因此還需要使用破碎機進行破碎，破碎後的石灰水將會按一定的比例和黏土砂石等物質混合，並一同磨細，進行煅燒，內部溫度可高達1500℃。煅燒過程是水泥形成的關鍵，通過煅燒，這些混合原料會發生一系列化學反應，形成一類加水即可硬化的膠凝材料。

在煅燒過程中，石灰石中的碳酸鈣會發生分解，生成氧化鈣，氧化鈣與氧化矽之間又會繼續反應，生成矽酸鈣，矽酸鈣分為矽酸二鈣和矽酸三鈣，這兩種物質是水泥能夠硬化的核心成分。反應之後的產物會再次磨細，顆粒越細，在之後加入水時，水化反應將會越充分，那麼凝結之後的強度就會越高。

硬化原理煅燒之後的產物我們就稱為水泥熟料，水泥熟料在加入水後，其中的矽酸鈣就會與水發生反應生成水化矽酸鈣和氫氧化鈣，這兩種物質的生成就是水泥加水能夠硬化過程中強度形成的原因。

水化矽酸鈣和氫氧化鈣會依靠氫鍵和分子之間的作用力緊密結合在一起，並且這些產物在生成過程中會不斷的生長，形成的長鏈結構會相互交織在一起，我們可以將它們想像從顆粒中延伸出來的無數條細針，這些細針相互穿插，相互交織，於是形成了很高強度的固化材料，這就是水泥為什麼加水後攪拌就能夠硬化的原因。那麼硬化後形成的混凝土壽命真的只有傳說中的五十年嗎？

混凝土的壽命真的只有五十年？

實際上不考慮外界環境而單獨的去討論水泥的壽命有多長是沒有意義的，固化的水泥能使用多久與它實際所處的環境息息相關，就好像鐵在潮溼的地方容易生鏽很快就被腐蝕掉，而在乾燥的空氣中則能長時間不被氧化，在這種環境下，鐵的壽命可能是潮溼環境下的幾十倍。

兩千多年前的水泥建築現在依舊保留著水泥雖然在1824年才正式誕生，但人類使用這種具有水活性的物質已經有了幾千年的歷史，公元前一百多年前的古羅馬已經開始使用火山灰加水作為建築粘接劑，只是那個時候人們並不知道這些東西到底是什麼成分，又是怎麼形成的。以我們現在的角度來看，很容易就能明白為什麼火山灰具有這種性質，這是因為火山灰同樣的經過了高溫煅燒過程，讓礦物發生分解和化合反應，產生了加水便能夠固化的矽酸鈣、鋁酸鈣等物質，這些矽鋁酸鹽加水後發生水化反應於是能夠凝結。這些固化產物與我們現在所使用的水泥實際成分類似，只是那個時候並沒有將它科學化、系統化的進行研究，也就沒有水泥的批量化生產和大規模的使用，但這些建築我們現在可以作為一種參考，例如古羅馬的萬神廟至今已經過去了兩千多年還保存完好。

正常情況下，混凝土的壽命遠大於設計年限不過目前國家按照不同使用標準對混凝土使用年限做了一定的規定，普通建築物的設計使用年限為五十年，而特別重要的建築設計年限為一百年。但這並不表示過了這個時候，水泥就不具有強度了，這只是一個最低設計標準，追蹤混凝土的使用年限一般會遠大於這個時間。

混凝土壽命的長短關鍵是看是否被腐蝕，這其中就有很多因素會影響水泥的壽命，例如由溫度變化、外界酸鹼性變化、鹽溶液的腐蝕等等。

常見的比如鹽溶液中的氯離子會嚴重影響混凝土的性能，由於氯離子會與混凝土中的氫氧根離子發生交換，從而使混凝土結構發生溶解而坍塌，因此浸泡在海水中的建築很容易被腐蝕掉，一般這些地方需要使用特種水泥材料或者使用一些防護措施來減少腐蝕從而增加使用壽命。

而我們居家的環境顯然沒有這麼惡劣，正常的雨水衝刷或溫度變化對它們的影響並不會太大。例如美國上世紀的高層建築——帝國大廈，竣工於1931年4月11日，曾是世界上最高的建築物，至今已經過去了近九十年，現在依舊是紐約的標誌性建築之一，現在來看，帝國大廈依舊是那麼的堅挺。

所以說，混凝土在正常環境下使用五十年完全不在話下，除非遇上極端的情況，比如天災（洪災、地震等劇烈破壞性因素），因此我們完全不必擔心五十年後質量是否會嚴重下降，房子還能不能住等問題，現在的鋼筋混凝土結構強度足夠大，壽命能夠輕鬆超過百年，百年以後的事，可就不用我們過多操心了。

參考文件：

《建築結構可靠度設計統一標準》（GB 50352-2005）

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