水泥发展简史（一）

水泥发展史是人类工业化和技术进步的重要见证之一。了解水泥发展史不仅有助于我们“读史明智”，而且有助于指导我们探寻水泥未来的发展方向，以寻求更可持续和环保的建筑和基础设施解决方案。基于此，公众号现推出“水泥发展简史”的科普知识。鉴于内容较长，分两期在公众号推出。今日首先推出“古代胶凝材料”和“波特兰水泥”两部分内容。

一、古代胶凝材料

1.粘土

在水泥未发明之前的数千年岁月中，人类最初采用粘土作胶凝材料。古埃及人采用尼罗河的泥浆砌筑未经煅烧的土砖。为了增加强度和减少收缩，古埃及人在泥浆中还掺入砂子和草。用这种泥土建造的建筑物不耐水，经不住雨淋和河水冲刷，但在干燥地区可保存多年。在距今约4000-10000年的新石器时代，由于石器工具的进步，挖穴建室的建筑活动开始兴起。人们有时用粘土来抹砌简易的建筑物，有时还掺入稻草之类的植物纤维或贝壳来加筋增强。

图1 粘土

2.白灰面

在公元前5000-3000年的新石器时代，我国仰韶文化传播区域，当时的人用天然姜石捣碎成粉的“白灰面”，夯实而成柱基以及铺墁的地面和四壁等，十分光滑。在陕西宝鸡的斗鸡台、河南安阳的后岗、郑州的二里岗、西安半坡及南殿村仰韶文化遗址中，在摩擦较多的地面及四壁常有光滑而坚硬的“白灰面”。

图2 白灰面

3.煅烧石膏

大约在公元前3000-2000年间，古埃及人开始采用煅烧石膏作建筑胶凝材料。埃及古金字塔中就使用了煅烧石膏。公元前30年，在埃及并入罗马帝国版图之前，古埃及人都是使用煅烧石膏来砌筑建筑物。

图3 金字塔上的石块粘合

4.石灰-砂子的二组分砂浆

古希腊人与古埃及人不同，在建筑中所用胶凝材料是将石灰石经煅烧后而制得的石灰。公元前146年，罗马帝国吞并希腊，同时继承了希腊人生产和使用石灰的传统。罗马人是将石灰加水消解，与砂子混合成砂浆，然后用此砂浆砌筑建筑物。采用石灰砂浆的古罗马建筑，有些非常坚固，甚至保留到现在。

5.罗马砂浆

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，在没有火山灰的地区，则掺入与火山灰具有同样效果的磨细碎砖。例如，罗马的庞贝古城以及罗马圣庙等著名建筑都是用石灰-火山灰材料砌筑而成。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。一般将“石灰-火山灰-砂子”三组分砂浆称为“罗马砂浆”。公元5世纪，在我国南北朝时代出现了一种名叫“三合土”的建筑材料，其由石灰、粘土和细砂所组成。“三合土”是以石灰与黄土或其他火山灰质材料作为胶凝材料，以细砂、碎石后炉渣作为填料的建筑材料。南京西善桥的南朝大墓中，封门前的地面即由石灰、砂及粘土混合筑成。“三合土”与“罗马砂浆”有许多类似之处。

图4 三合土

二、波特兰水泥

1.水硬性石灰

18世纪中叶，为了摆脱船只触礁和撞滩等海难事故频繁发生的现状，英国在海上修建灯塔进行导航。当时建造灯塔的材料有两种：木材和“罗马砂浆”。然而，木材易燃，且遇海水易腐烂；“罗马砂浆”虽然有一定耐水性能，但尚不能满足海水的腐蚀与冲刷。因此，灯塔经常损坏，导致船只无法安全航行，限制了英国航运业快速发展。为解决航运安全问题，寻找抗海水侵蚀材料和建造耐久的灯塔成为18世纪50年代英国经济发展中的当务之急。对此，英国国会不惜重金，礼聘人才。被尊称为英国土木之父的工程师斯密顿（J. Smeaton）应聘承担建设灯塔的任务。1756年，斯密顿在建造灯塔的过程中，研究了“石灰-火山灰-砂子”三组分砂浆中不同石灰石对砂浆性能的影响，发现含有粘土的石灰石，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”高很多，且能耐海水的冲刷。斯密顿使用新发现的砂浆建造了举世闻名的普利茅斯港的涡石灯塔（Eddystone lighthouse）（又称斯密顿灯塔）。用含粘土、石灰石制成的石灰被称为水硬性石灰。斯密顿的这一创造是水泥发明过程中知识积累—由量变到质变的一次大飞跃，不仅为英国航海业做出了贡献，也为“波特兰水泥”的发明起到了重要作用。

图5 涡石灯塔（左侧残余灯塔为第三座涡石灯塔；右侧为1879年修建的第四座涡石灯塔）（图片来源：Wikimapia）

2.罗马水泥

1796年，英国人派克（J. Parker）将称为Sepa Tria的粘土质石灰岩，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。差不多在“罗马水泥”生产的同时期，法国人采用Boulogne地区化学成分接近现代水泥成分的泥灰岩也制造出水泥。这种天然泥灰岩称为水泥灰岩，用此灰岩制成的水泥则称为天然水泥。美国人用Rosendale和Louisville地区的水泥灰岩也制成了天然水泥。在19世纪80年代及以后的很长一段时间里，天然水泥在美国得到广泛应用，在建筑业中曾占很重要的地位。

3.英国水泥

英国人福斯特（J. Foster）是一位致力于水泥的研究者。他将两份重量白垩和一份重量粘土混合后加水湿磨成泥浆，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，烧成温度以混合料中碳酸气体全挥发为准，烧成产品呈浅黄色，冷却后磨细成水泥。福斯特称该水泥为“英国水泥”（British Cement），并于1822年10月22日获得英国第4679号专利。“英国水泥”由于煅烧温度较低，其质量明显不及“罗马水泥”，所以售价较低，销售量不大。这种水泥虽然未能被大量推广，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。

4.波特兰水泥（硅酸盐水泥）

1824年10月21日，英国利兹（Leeds）城的泥水匠阿斯普丁（J. Aspdin）获得了英国第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，配合一定量的粘土，掺水后以人工或机械搅拌均匀成泥浆；置泥浆于盘上，加热干燥；将干料打击成块，装入石灰窑煅烧，烧至石灰石内碳酸气完全逸出；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，拌和成适当稠度的浆体，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，所以被称为“波特兰水泥”。其首批大规模应用的实例是1825-1843年建造的泰晤士河隧道工程。

图6 波特兰水泥

图7 泰晤士河隧道工程

水泥生产的核心设备是窑，在考察水泥技术发展进程时往往以窑为代表。1824年阿斯普丁发明波特兰水泥时所用的窑是沿用于烧石灰的瓶窑。1872年强生发明专用于水泥生产的仓窑，其特点是利用人工作业将物料沿水平移动，完成干燥、预烧和烧成等过程，曾流行于欧洲，是最早的水泥煅烧专用设备。

1884年德国人狄兹赫发明了立窑，不同于仓窑的是物料自上而下沿垂直方向自动完成烧成过程。此后，英德等国开始对立窑进行不断改进升级。英国人最早在立窑上采用机械通风，接着德国人采用自动卸料装置，大幅度提高了熟料产量和质量。在此基础上，德国人又增设自动喂料装置，完成了立窑的全盘机械化。19世纪末到20世纪20年代，立窑技术在世界范围内被广泛采用，成为了一代水泥烧成设备。

图8 立窑的结构

1895年美国人亨利和西蒙发明中空干法回转窑。为利用窑尾废气余热，1897年德国人贝赫门开创带余热锅炉的干法回转窑。1928年德国人立列普与伯力鸠斯公司合作，用篦式加热机取代余热锅炉发明了立波尔窑。在中空干法回转窑不断改进的过程中，1912年前后丹麦斯密斯公司发明湿法回转窑，经数次改进后发展为湿法长窑。立波尔窑和湿法长窑在20世纪上半叶，曾风靡于世界水泥业。

20世纪50年代德国洪堡公司推出世界第一台4级旋风预热器窑。紧接着德国伯力鸠斯公司首创立筒预热器窑。同时，在生料制备和环境保护等方面取得长足的进步，从而形成预热器窑新型干法，造就了一代水泥生产新技术，于20世纪60年代曾流行于世界工业靠前的发达国家。1971年日本石川岛播磨重工业公司发明预分解窑，使水泥生产技术迅速提升到预分解窑新型干法水平。随着水泥工业的科技进步，预分解窑新型干法具有综合能耗低，水泥熟料品质优等特点，是当今世界水泥最主流的生产方法。自波特兰水泥发明的近200年里，水泥生产技术由瓶窑发展到预分解窑，由手工作坊式间歇生产发展到智慧规模化生产，取得了与现代人类文明相应的长足进步。

图9 海螺集团沿江超大型水泥熟料生产基地——芜湖海螺水泥公司（图片来源于人民网）

本期编者简介

资料整理：

高艳茹        硕士生        济南大学