超级军网转帖：石灰和水泥
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/19 22:52:08
该文由河友 燕人 所作。感谢他的好文
缘起
这篇文字是有感于一位网友的帖子。
http://www.cchere.com/article/3807836
我得承认，他说的大多是事实。科技前沿的发展我不清楚。在与我工作有关的建筑产品方面，从技术和品质上看，我们的确是样样不如人。我这篇文字是在给他的论据背书。
比方简单一个水龙头。德国品牌的Grohe, 国内叫做高仪的。单价可以卖到400英镑，国产同类的只有30美金。就是这样的成本差别，英国人还是宁要选Grohe。这里不仅是品牌或者外观设计这种主观因素在起作用。国产货的材质，机能和表面处理与国外名牌相比，还是有很大差别的。
有空的话我可以把我经手过的所有产品都中外比较一下。这个单子很长。
但是我只能部分同意他的观点，那就是我们目前还是在向西方学习中。
技不如人，向人学习，没有什末不可以。中华文明领先世界的时候，我们不也是被学习的对象吗？
天行健，君子以自强不息。这是中华文明的主要特征之一。
我们差，我们不如人。但是我们还在，总有一天会追赶上。Grohe在中国有工厂，这就是一个证明。
我对现状再如何的失望，对中华文明的信心还在。
这篇文字的另外一个目的，是帮助网友澄清一个说法，即下面所引用
有次我遇到一人，他跟我说，石灰分水硬和气硬，说中国用的是气硬，而法国那样的欧洲国家常用的是水硬，他们很多建筑刷耐用美观的装饰砂浆，其中水硬石灰是重要成份，而我国对等建筑在刷劣质涂料。
说这话的老兄根本没有了解基本事实。当然更可能他在为国外产品做市场。我在英国的一家建筑公司做采购，多少了解一些建筑材料，因此可以帮助网友们回顾一下此类产品。我本人不是理工出身，也没有水泥相关工业经验，只能粗略谈谈此类产品的历史和装饰性用途。至于水泥产品更重要的结构性用途，我是不敢涉及了。尽管如此，文字中谬误之处在所难免。因此专业的朋友还请多指教。
该文由河友 燕人 所作。感谢他的好文
缘起
这篇文字是有感于一位网友的帖子。
http://www.cchere.com/article/3807836
我得承认，他说的大多是事实。科技前沿的发展我不清楚。在与我工作有关的建筑产品方面，从技术和品质上看，我们的确是样样不如人。我这篇文字是在给他的论据背书。
比方简单一个水龙头。德国品牌的Grohe, 国内叫做高仪的。单价可以卖到400英镑，国产同类的只有30美金。就是这样的成本差别，英国人还是宁要选Grohe。这里不仅是品牌或者外观设计这种主观因素在起作用。国产货的材质，机能和表面处理与国外名牌相比，还是有很大差别的。
有空的话我可以把我经手过的所有产品都中外比较一下。这个单子很长。
但是我只能部分同意他的观点，那就是我们目前还是在向西方学习中。
技不如人，向人学习，没有什末不可以。中华文明领先世界的时候，我们不也是被学习的对象吗？
天行健，君子以自强不息。这是中华文明的主要特征之一。
我们差，我们不如人。但是我们还在，总有一天会追赶上。Grohe在中国有工厂，这就是一个证明。
我对现状再如何的失望，对中华文明的信心还在。
这篇文字的另外一个目的，是帮助网友澄清一个说法，即下面所引用
有次我遇到一人，他跟我说，石灰分水硬和气硬，说中国用的是气硬，而法国那样的欧洲国家常用的是水硬，他们很多建筑刷耐用美观的装饰砂浆，其中水硬石灰是重要成份，而我国对等建筑在刷劣质涂料。
说这话的老兄根本没有了解基本事实。当然更可能他在为国外产品做市场。我在英国的一家建筑公司做采购，多少了解一些建筑材料，因此可以帮助网友们回顾一下此类产品。我本人不是理工出身，也没有水泥相关工业经验，只能粗略谈谈此类产品的历史和装饰性用途。至于水泥产品更重要的结构性用途，我是不敢涉及了。尽管如此，文字中谬误之处在所难免。因此专业的朋友还请多指教。
缘起
这篇文字是有感于一位网友的帖子。
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我得承认，他说的大多是事实。科技前沿的发展我不清楚。在与我工作有关的建筑产品方面，从技术和品质上看，我们的确是样样不如人。我这篇文字是在给他的论据背书。
比方简单一个水龙头。德国品牌的Grohe, 国内叫做高仪的。单价可以卖到400英镑，国产同类的只有30美金。就是这样的成本差别，英国人还是宁要选Grohe。这里不仅是品牌或者外观设计这种主观因素在起作用。国产货的材质，机能和表面处理与国外名牌相比，还是有很大差别的。
有空的话我可以把我经手过的所有产品都中外比较一下。这个单子很长。
但是我只能部分同意他的观点，那就是我们目前还是在向西方学习中。
技不如人，向人学习，没有什末不可以。中华文明领先世界的时候，我们不也是被学习的对象吗？
天行健，君子以自强不息。这是中华文明的主要特征之一。
我们差，我们不如人。但是我们还在，总有一天会追赶上。Grohe在中国有工厂，这就是一个证明。
我对现状再如何的失望，对中华文明的信心还在。
这篇文字的另外一个目的，是帮助网友澄清一个说法，即下面所引用
有次我遇到一人，他跟我说，石灰分水硬和气硬，说中国用的是气硬，而法国那样的欧洲国家常用的是水硬，他们很多建筑刷耐用美观的装饰砂浆，其中水硬石灰是重要成份，而我国对等建筑在刷劣质涂料。
说这话的老兄根本没有了解基本事实。当然更可能他在为国外产品做市场。我在英国的一家建筑公司做采购，多少了解一些建筑材料，因此可以帮助网友们回顾一下此类产品。我本人不是理工出身，也没有水泥相关工业经验，只能粗略谈谈此类产品的历史和装饰性用途。至于水泥产品更重要的结构性用途，我是不敢涉及了。尽管如此，文字中谬误之处在所难免。因此专业的朋友还请多指教。
该文由河友 燕人 所作。感谢他的好文
缘起
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我得承认，他说的大多是事实。科技前沿的发展我不清楚。在与我工作有关的建筑产品方面，从技术和品质上看，我们的确是样样不如人。我这篇文字是在给他的论据背书。
比方简单一个水龙头。德国品牌的Grohe, 国内叫做高仪的。单价可以卖到400英镑，国产同类的只有30美金。就是这样的成本差别，英国人还是宁要选Grohe。这里不仅是品牌或者外观设计这种主观因素在起作用。国产货的材质，机能和表面处理与国外名牌相比，还是有很大差别的。
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技不如人，向人学习，没有什末不可以。中华文明领先世界的时候，我们不也是被学习的对象吗？
天行健，君子以自强不息。这是中华文明的主要特征之一。
我们差，我们不如人。但是我们还在，总有一天会追赶上。Grohe在中国有工厂，这就是一个证明。
我对现状再如何的失望，对中华文明的信心还在。
这篇文字的另外一个目的，是帮助网友澄清一个说法，即下面所引用
有次我遇到一人，他跟我说，石灰分水硬和气硬，说中国用的是气硬，而法国那样的欧洲国家常用的是水硬，他们很多建筑刷耐用美观的装饰砂浆，其中水硬石灰是重要成份，而我国对等建筑在刷劣质涂料。
说这话的老兄根本没有了解基本事实。当然更可能他在为国外产品做市场。我在英国的一家建筑公司做采购，多少了解一些建筑材料，因此可以帮助网友们回顾一下此类产品。我本人不是理工出身，也没有水泥相关工业经验，只能粗略谈谈此类产品的历史和装饰性用途。至于水泥产品更重要的结构性用途，我是不敢涉及了。尽管如此，文字中谬误之处在所难免。因此专业的朋友还请多指教。
其实严重缩小了这个英文名字的内涵。一个mason的职责包括了现代意义上的建筑师，项目经理，施工经理和现场工人等等的总和。这也是古今词语意义的演化的一个例子。单独使用的Mason名字在现代很少见，其原先的体力工作部分主要为brick layer砌砖工和stone mason石匠继承，设计和管理职责已经被高度专业化的人士承担。不但mason的职责名目变化了，连大名鼎鼎的Freemasonry共济会，也从一个mason专业协会演变成国际阴谋俱乐部（据何新先生言）。
国际阴谋俱乐部
原因在哪里？建筑工业的专业分工趋势导致mason这个位置逐渐消亡。还有一个原因不可忽视。砂浆mortar的成分与时俱进，已经不再是石灰砂浆lime mortar。 Masonry部分在建筑物整体中比重很小，mason也就慢慢淡出了。
[img=220,149] http://upload.wikimedia.org/wiki ... .jpg/220px-CMUs.jpg[/img]
地下室混凝土砖外墙Concrete masonry units (CMUs)
从国内外石雕原料多是青石和大理石便可推论，石灰砂浆lime mortar在空气中凝固后所提供的强度不高。事实是它远远不如水泥。这个特质既是优点也是缺点。不过很明显，用石灰砂浆不可能建成现代的高楼。空气中的二氧化碳浓度很低，同时砂浆的状态（厚度）也会阻碍二氧化碳与砂浆内部的氢氧化钙反应。因此石灰砂浆的凝固非常缓慢，使得建筑工期极为漫长。这个重要原因促使工业革命后经济快速发展的西欧社会寻求一种新的建筑粘结剂。
国际阴谋俱乐部
原因在哪里？建筑工业的专业分工趋势导致mason这个位置逐渐消亡。还有一个原因不可忽视。砂浆mortar的成分与时俱进，已经不再是石灰砂浆lime mortar。 Masonry部分在建筑物整体中比重很小，mason也就慢慢淡出了。
[img=220,149] http://upload.wikimedia.org/wiki ... .jpg/220px-CMUs.jpg[/img]
地下室混凝土砖外墙Concrete masonry units (CMUs)
从国内外石雕原料多是青石和大理石便可推论，石灰砂浆lime mortar在空气中凝固后所提供的强度不高。事实是它远远不如水泥。这个特质既是优点也是缺点。不过很明显，用石灰砂浆不可能建成现代的高楼。空气中的二氧化碳浓度很低，同时砂浆的状态（厚度）也会阻碍二氧化碳与砂浆内部的氢氧化钙反应。因此石灰砂浆的凝固非常缓慢，使得建筑工期极为漫长。这个重要原因促使工业革命后经济快速发展的西欧社会寻求一种新的建筑粘结剂。
五藤高庆 发表于 2012-12-4 12:55 
石灰
石灰和水泥在建筑功能上可归类为粘结剂，英文写作binder，即把砖石等粘合在一起的产品。石灰的历史 ...
水泥的早期发展
水泥是中文对英文词cement的意译，其词源为一个古罗马字caementicium。古罗马人的确使用了类似于现代 水泥混凝土的建筑材料，但是这个技术随着罗马帝国的崩溃失传了。作为现代建筑工业最基本的材料，水泥的发展与西方工业革命以来的社会大进步密切相关。水泥的基本概念，工艺和质量标准也经历了巨大的变化。波特兰水泥Portland cement自从在1824年获得英国专利后，历经各国技术人员的不断改进，几乎成为水泥的代名词。普通波特兰水泥OPC是最为广泛使用的水泥产品。水泥的主要特性是可以在水中凝固硬化，简称为水硬特性，英文写作hydraulic。水泥硬化后提供的强度使得用钢筋支持的水泥取代砖石，成为主要建筑结构材料。
在现代水泥的发展过程中，一种在石灰和水泥中间的过渡产品得到了确认。这就是本文开头中所引用文字中谈到的水硬石灰，英文写作hydraulic lime。Hydraulic一词本义与物理学和工程上液体有关，中文通常翻译为水力学。在水硬石灰这个概念里，hydraulic lime可以理解为与水混合后得到力量（强度）的石灰，因为这种石灰可以在水中凝结（硬化），而不像普通的hydrated lime那样需要很长时间才能在空气中硬化。
水硬石灰的奥妙出自于石灰岩的杂质。前文说过，我国古人认识到天然烧制的石灰成品有两种，水化者和风化者，而前者在药用方面不如后者。水化者所来自的石灰岩应该包含较多杂质，所以尽管石灰岩被煅烧后碳酸钙成分已经分解，其他杂质还保留了原本的性质。西方的mason把石灰岩煅烧后的物质，即通常意义上的石灰，磨成粉末状与水混合制作砂浆时，发现有些石灰能够在水中凝固。他只需重复他的工序，就会注意到只有某类某产地的石灰岩烧制的石灰才有这种效果，而其他种类的石灰岩或者纯度很高的石灰岩则不能提供。法国工程师Louis Vicat独自发明了水泥后，在19世纪30年代建议把这种表现出水泥特性的石灰纳入通常的石灰类别中，以便与水泥有所区别。它的整体表现远不能够满足现代建筑对结构材料的要求。
现代波特兰水泥的发展进程可以追溯到古希腊时期的石灰和砂土混合成的lime mortar。罗马人学到这个做法，并在混合物中添加了火山灰，使之成为能够在水中凝结的新产品。罗马混凝土Roman Concrete是现代人对这种产品的称呼。至少在公元一世纪中期罗马混凝土已经被广泛使用，特别在海港建筑等需要水下作业的工程。罗马人命名其Opus caementicium。生产罗马混凝土的方法如何被发明，已经无从得知。但是罗马人自认幸运。古罗马著名建筑师Marcus Vitruvius Pollio在他的名著《建筑十书》中写到：
有一种从维苏威火山附近得到的天然粉末，能给我们带来惊奇的结果。这种物质，当与石灰和碎石混合后，不但给建筑物带来强度，甚至能够在海水中变硬，正合适建造栈桥
（译自Historic Concrete by James Sutherland）
古罗马海水浴室遗址
罗马混凝土的水硬特性基于火山灰与生石灰的火山灰反应pollanoic reaction生成硅酸盐。硅酸盐与水结合hydration凝固变硬，这是现代水泥的基本原理。对于工业革命时期还没有掌握现代化学的各色发明家，罗马混凝土给与他们模仿的灵感和方向。可是罗马人的火山灰来自于著名的维苏威Vesuvius火山附近一个村子Pozzuoli。在英法两国人们没有这般幸运，火山灰实在稀罕。所以发明家们需要另找出路。
最早的尝试发生在1759年。英国的土木工程师之父John Smeaton受委托在英格兰西南海岸14公里英吉利海峡中一丛礁石上修建灯塔。该礁石伴随潮汐出没于海面，使得航行此处的水手心惊胆战，宁肯靠近法国的海岸航行。鉴于英法之间交战频繁，修建灯塔的重要性不言而喻。建筑师面临的挑战来自于潮汐。当时绝大多数的石灰砂浆只能在空气中凝固。此处的潮汐间歇有12小时，远远不能满足要求。在John Smeaton之前有二人先后修建了两座木质灯塔,都未能持久。John Smeaton的任务是建筑一座全新的土石结构的灯塔来避免前身的覆辙。他借鉴罗马人的经验，设计出一种水硬性砂浆，配方是石灰，火山灰（意大利原产地）加上沙子。用这种砂浆粘合花岗岩形成的 masonry不但可以在12小时的潮汐间歇内迅速凝固，而且可以在海水中继续硬化，保证了建筑的强度和施工进度。他没有止步于此，而是作了一系列实验，想发现这种砂浆的水硬特性来自哪里。他的结论是粘土起了关键作用。他关于灯塔的工作报告汇集成书，在1791年出版。作为一名王家协会Royal Society成员，Smeaton的成功大概只在英国科学家圈子内得到响应。
John Smeaton的灯塔塔基仍然可见
1818年上文提到的法国工程师Louis Vicat向法国科学院提交了他发明的水泥，命名为人工水泥le ciment artificiel。这个名字是相对于当时已经被人所知的天然水硬性材料而言。没有记载表明John Smeaton对他有否影响。1822年他把自己的创造用于他负责建造的一座桥梁Souillac Bridge。这是所知的最早应用水泥的桥梁。法国化学家Baron Thénard说他"宁肯这（发明水泥）荣耀服务于实际用途，而不是个人富裕"。他没有对他的发明申请专利，似乎只有法国人相信他是现代水泥的创造者。直到1845年，英国人的波特兰水泥已经开始大行其道的时候，法国政府才以国家名义奖励他6，000法郎以表彰他无私的奉献。作为向他的致敬，他的名字在法国工程师埃菲尔承建那不朽的巴黎地标时，被标记在塔身之上。
Vicat的Souillac Bridge(1824)
历史表明商业活动对社会的影响远大于科学。处于工业革命前沿的英国社会历经了爆炸式的发展，人口，城市，经济规模急剧增长，对新建筑的需求极为迫切。建筑工业非常愿意尝试种种可以改进生产效率的材料和技术。1780年代James Parker，英国的一名教会神职人员开发了一种他自称为罗马水泥Roman Cement的新产品并在90年代获得专利。英格兰肯特郡北海岸外一个小岛Isle of Sheppey存在一种天然龟甲状石球Septaria。它是一种同时含有白垩（一种高纯度的碳酸钙矿石）和硅土的天然石灰岩。James Parker的罗马水泥就是把这石球经煅烧后磨粉而成。这种龟甲石球内含有较高比例的铝硅土，因而煅烧后产生更多的硅酸盐。所以水硬特征十分明显，据说可以在5至15分钟内凝固。这种新产品显著改变了masonry的建造方式，因而收到建筑商的欢迎。从工业过程而言，它从天然石灰岩煅烧得来，应该归类于水硬石灰。由于它的水硬特性明显优于水硬石灰，化学史家把它归类为天然水泥natural cement。虽然James Parker的产品与罗马和历史上的罗马混凝土没有任何关系，有研究者认为他的专利导致了John Smeaton的著作 (1791年) 未能引起广泛兴趣。1807年罗马水泥专利到期。一名英国工厂主James Frost得以在他的工厂内生产罗马水泥。他开始研究如何通过人工配方来生产罗马水泥。1810年的时候他好像开发出一套新工艺，不过直到1822年他的工艺才获得专利许可，其产品被命名为不列颠水泥British cement， 更常见的名字是Frost’s cement。1825年他在肯特郡一个盛产白垩chalk和粘土clay的地方开建工厂，生产他的不列颠水泥和罗马水泥。经过不断地改进技术和工艺，日后这家工厂曾经成为英国最大的水泥生产商。
Sheppey岛上的Septaria石头，罗马水泥来自于此
水泥生产的利润吸引了更多人进入这个领域。不过生产专利似乎是其中最大的障碍。发明家通过创制一套新工艺来摆脱专利的限制。英国一名Brick layer砌砖工Joseph Aspdin是他们中间最成功者。他为自己的产品取名为波特兰水泥Portland cement，因为他的水泥凝固后的色调与英国一种名贵石灰岩波特兰石Portland stone很像。波特兰水泥在1824获得专利，在市场竞争中很快就后来居上，引发新的模仿。据说Joseph Aspdin完全没有化学知识，他的成功仅仅出于偶然。他在英格兰北方的利兹作一个砌砖工，是建筑工程上砌砖masonry部分的承包人。大概为了隐藏生产工艺，Joseph 在他的专利文件上写到，石灰lime的来源是道路上的铺路石。如果没有铺路石再去找石灰岩。这听来很可笑。他本人也的确两次因为从公路上掘取铺路石而被起诉。有人怀疑他是否理解自己的发明。我看他更像一个前工业时期的狡黠的小商人，没有充分利用资本主义体系的各种便利来发展自己的事业。
在波特兰水泥成为市场主流的发展中，有两位年轻人贡献最大。一位是Isaac Charles Johnson。另一位是Joseph 的儿子William。
Isaac Charles Johnson的父亲是一家水泥工厂的经理人。他本人16岁时学习化学的同时，开始在父亲的厂里打工。22岁时他成为James Frost开建的那家水泥厂的生产经理。此时Frost已经移民美国了。因为Joseph Aspdin花费精力保密，波特兰水泥的工艺和配方对外人而言仍是个谜。1845年时Johnson的老板想邀请Joseph的儿子William Aspdin加入公司，但是没有成功。Johnson于是自告奋勇要搞出这个波特兰水泥的配方。他后来（1905）回忆到：
我信心满满，因而劝老板把这事儿交给我。我以前说过，我无从搞到Aspdin的水泥制法。他把他的工厂封闭起来，连墙都有20几英尺高。只有通过工厂办公室才能进去，我是没法子。听他以前的合伙人说，Aspdin把他的水泥搞得很神秘，干活的工人都不知道究竟。他有一个托盘，里面几个格子分别装着硫化铜粉末，石灰岩粉末和其他东西。每次给窖炉kiln生火前，他就进去里面，把这些粉末撒到一层层的原料中间，整个过程都很神秘。我怎末做的？我买些他的水泥，交给伦敦最好的化学分析家，因为我的化学知识不足以当此重任。花了差不多两天时间，你猜分析家发现了什末主要成分？60%的磷酸钙phosphate of lime ！好了，我想，这好办。我从本地肉铺那里搞到骨头，在露天里煅烧，那股子恶臭搞得邻里鸡飞狗跳。我把骨灰和石灰lime以及其他水泥成分混在一起煅烧，尝试了不同的比例和燃烧程度，没能达到任何效果。
Johnson知道Frost的不列颠水泥的配方是2份白垩和1份本地产粘土，所以抛弃了伦敦分析家的说法，决定朝这个方向努力。他在 厂区内建立了一个实验室，日以继夜研究对比各种配方。他在不列颠水泥的原配方中加入更多的白垩，煅烧后窖炉中烧成了一些炉渣clinker样物质。他想起以前一位研究者建议扔掉炉渣的说法，决定反其道行之。炉渣磨粉后和窖炉中其他物质混合后体现了水硬特性。几天后他重复了这个实验，发现磨粉的炉渣本身的水硬特性更好。最终他确认了5份白垩和2份本地粘土的配方比例能够产生最好的效果。不久，按照这个工艺生产的水泥被法国瑟堡Cherbourg的一个政府工程项目采用。他自豪地回忆到，按照他的工艺配方生产的水泥，从此成为其他的供货商都要符合的一个质量标准。
Johnson认为自己是现代波特兰水泥的真正发明者。他后来开设了自己的工厂，其中一个分厂的生产持续到1971年。1911年时他接受了整个英国水泥工业代表祝贺他的百年生日，感谢他对于英国水泥工业的贡献。
尽管Johnson在英国水泥工业的历史上享有崇高地位，有研究者认为William Aspdin才是真正的现代波特兰水泥发明者。这不仅因为他父亲Joseph Aspdin最早取得波特兰水泥的专利，更因为William改进了工艺和配方。他生产的水泥，比法国人Louis Vicat ( 1817年)和英国人 Isaac Charles Johnson（1845年）的产品更加符合现代水泥的特征。
William Aspdin
William Aspdin在父亲工厂开始工作时只有14岁。1841年的时候他与父亲分手，跑到南方盛产白垩的肯特郡创业，此时也仅仅26岁。在父亲工厂10多年的经历，他大概领悟到水泥生产的关键，那就是适当的石灰和粘土的比例，更高的煅烧温度。这种工艺会产生一种与他父亲的快速凝固的水泥不同的，硬化相对缓慢，因而更适合于结构上用途的新水泥。他与人合伙开了一家工厂生产水泥，但是仍旧使用他父亲创立的波特兰水泥作为宣传手段，尽管他的水泥比他父亲的品质更优。有个著名的传说，说的是泰晤士河隧道修建时，有一次出现严重的河水泄漏。被誉为英国有史以来最伟大的工程师Brunel当机立断，从水面向隧道泄漏处投掷数以吨计的波特兰水泥，把泄漏堵住。这不大可能是事实。因为泰晤士河隧道竣工于1841年11月，而William在同年7月才来到肯特。难以想象在工程竣工前半年内还会出现严重的事故。不过，William的公司广告明确写着：
波特兰水泥，由W Aspdin, 本专利所有人之子独家生产。本产品已经泰晤士河隧道工程采用，可保证隔水效果20年以上。。
如果Brunel用波特兰水泥把整个隧道重新做封闭防水处理，这倒是可以理解。William应该属于不善经营的那种人。他破产两次，每次都遭到愤怒的债主追逐。后面那次破产，是Johnson收购了他的工厂。1857年他移民去到了德国汉堡地区。1860年在一名富裕的英国商人帮助下，他开设了德国最早的波特兰水泥工厂。这两个移民的成功引发了德国人建设水泥工厂的热情。4年后他就去世了。他在德国Lgerdorf的工厂几经转手最终被目前世界上最大的水泥厂商，瑞士Holcim 公司收购。虽然William Aspdin没有如Johnson那样功成名就，他对现代水泥的贡献伴随波特兰水泥的名字永存。
1859年伦敦大都市公用事业局London Cosmopolitan Board of Works的工程师John Grant通过漫长的对比试验，确定采用波特兰水泥作为伦敦城市排水系统的建筑材料。从此波特兰水泥在市场上特别是公共工程项目取得独占地位。其他种类的水泥在1880年后在市场上几乎销声匿迹了。波特兰水泥在英国的商业成功应该是Johnson的功劳。
距离William Aspdin开办德国第一家波特兰水泥厂之后不足20年，高效的德国人于1878年成立了德国水泥生产商协会，颁布了德国工业通用的波特兰水泥质量标准。到19世纪末期，欧洲三个主要国家英，法，德都实现了机械化的大规模水泥生产。水泥生产基本上成为技术问题：如何在控制成本的前提下实现水泥的设计指标。
石灰
石灰和水泥在建筑功能上可归类为粘结剂，英文写作binder，即把砖石等粘合在一起的产品。石灰的历史 ...
水泥的早期发展
水泥是中文对英文词cement的意译，其词源为一个古罗马字caementicium。古罗马人的确使用了类似于现代 水泥混凝土的建筑材料，但是这个技术随着罗马帝国的崩溃失传了。作为现代建筑工业最基本的材料，水泥的发展与西方工业革命以来的社会大进步密切相关。水泥的基本概念，工艺和质量标准也经历了巨大的变化。波特兰水泥Portland cement自从在1824年获得英国专利后，历经各国技术人员的不断改进，几乎成为水泥的代名词。普通波特兰水泥OPC是最为广泛使用的水泥产品。水泥的主要特性是可以在水中凝固硬化，简称为水硬特性，英文写作hydraulic。水泥硬化后提供的强度使得用钢筋支持的水泥取代砖石，成为主要建筑结构材料。
在现代水泥的发展过程中，一种在石灰和水泥中间的过渡产品得到了确认。这就是本文开头中所引用文字中谈到的水硬石灰，英文写作hydraulic lime。Hydraulic一词本义与物理学和工程上液体有关，中文通常翻译为水力学。在水硬石灰这个概念里，hydraulic lime可以理解为与水混合后得到力量（强度）的石灰，因为这种石灰可以在水中凝结（硬化），而不像普通的hydrated lime那样需要很长时间才能在空气中硬化。
水硬石灰的奥妙出自于石灰岩的杂质。前文说过，我国古人认识到天然烧制的石灰成品有两种，水化者和风化者，而前者在药用方面不如后者。水化者所来自的石灰岩应该包含较多杂质，所以尽管石灰岩被煅烧后碳酸钙成分已经分解，其他杂质还保留了原本的性质。西方的mason把石灰岩煅烧后的物质，即通常意义上的石灰，磨成粉末状与水混合制作砂浆时，发现有些石灰能够在水中凝固。他只需重复他的工序，就会注意到只有某类某产地的石灰岩烧制的石灰才有这种效果，而其他种类的石灰岩或者纯度很高的石灰岩则不能提供。法国工程师Louis Vicat独自发明了水泥后，在19世纪30年代建议把这种表现出水泥特性的石灰纳入通常的石灰类别中，以便与水泥有所区别。它的整体表现远不能够满足现代建筑对结构材料的要求。
现代波特兰水泥的发展进程可以追溯到古希腊时期的石灰和砂土混合成的lime mortar。罗马人学到这个做法，并在混合物中添加了火山灰，使之成为能够在水中凝结的新产品。罗马混凝土Roman Concrete是现代人对这种产品的称呼。至少在公元一世纪中期罗马混凝土已经被广泛使用，特别在海港建筑等需要水下作业的工程。罗马人命名其Opus caementicium。生产罗马混凝土的方法如何被发明，已经无从得知。但是罗马人自认幸运。古罗马著名建筑师Marcus Vitruvius Pollio在他的名著《建筑十书》中写到：
有一种从维苏威火山附近得到的天然粉末，能给我们带来惊奇的结果。这种物质，当与石灰和碎石混合后，不但给建筑物带来强度，甚至能够在海水中变硬，正合适建造栈桥
（译自Historic Concrete by James Sutherland）
古罗马海水浴室遗址
罗马混凝土的水硬特性基于火山灰与生石灰的火山灰反应pollanoic reaction生成硅酸盐。硅酸盐与水结合hydration凝固变硬，这是现代水泥的基本原理。对于工业革命时期还没有掌握现代化学的各色发明家，罗马混凝土给与他们模仿的灵感和方向。可是罗马人的火山灰来自于著名的维苏威Vesuvius火山附近一个村子Pozzuoli。在英法两国人们没有这般幸运，火山灰实在稀罕。所以发明家们需要另找出路。
最早的尝试发生在1759年。英国的土木工程师之父John Smeaton受委托在英格兰西南海岸14公里英吉利海峡中一丛礁石上修建灯塔。该礁石伴随潮汐出没于海面，使得航行此处的水手心惊胆战，宁肯靠近法国的海岸航行。鉴于英法之间交战频繁，修建灯塔的重要性不言而喻。建筑师面临的挑战来自于潮汐。当时绝大多数的石灰砂浆只能在空气中凝固。此处的潮汐间歇有12小时，远远不能满足要求。在John Smeaton之前有二人先后修建了两座木质灯塔,都未能持久。John Smeaton的任务是建筑一座全新的土石结构的灯塔来避免前身的覆辙。他借鉴罗马人的经验，设计出一种水硬性砂浆，配方是石灰，火山灰（意大利原产地）加上沙子。用这种砂浆粘合花岗岩形成的 masonry不但可以在12小时的潮汐间歇内迅速凝固，而且可以在海水中继续硬化，保证了建筑的强度和施工进度。他没有止步于此，而是作了一系列实验，想发现这种砂浆的水硬特性来自哪里。他的结论是粘土起了关键作用。他关于灯塔的工作报告汇集成书，在1791年出版。作为一名王家协会Royal Society成员，Smeaton的成功大概只在英国科学家圈子内得到响应。
John Smeaton的灯塔塔基仍然可见
1818年上文提到的法国工程师Louis Vicat向法国科学院提交了他发明的水泥，命名为人工水泥le ciment artificiel。这个名字是相对于当时已经被人所知的天然水硬性材料而言。没有记载表明John Smeaton对他有否影响。1822年他把自己的创造用于他负责建造的一座桥梁Souillac Bridge。这是所知的最早应用水泥的桥梁。法国化学家Baron Thénard说他"宁肯这（发明水泥）荣耀服务于实际用途，而不是个人富裕"。他没有对他的发明申请专利，似乎只有法国人相信他是现代水泥的创造者。直到1845年，英国人的波特兰水泥已经开始大行其道的时候，法国政府才以国家名义奖励他6，000法郎以表彰他无私的奉献。作为向他的致敬，他的名字在法国工程师埃菲尔承建那不朽的巴黎地标时，被标记在塔身之上。
Vicat的Souillac Bridge(1824)
历史表明商业活动对社会的影响远大于科学。处于工业革命前沿的英国社会历经了爆炸式的发展，人口，城市，经济规模急剧增长，对新建筑的需求极为迫切。建筑工业非常愿意尝试种种可以改进生产效率的材料和技术。1780年代James Parker，英国的一名教会神职人员开发了一种他自称为罗马水泥Roman Cement的新产品并在90年代获得专利。英格兰肯特郡北海岸外一个小岛Isle of Sheppey存在一种天然龟甲状石球Septaria。它是一种同时含有白垩（一种高纯度的碳酸钙矿石）和硅土的天然石灰岩。James Parker的罗马水泥就是把这石球经煅烧后磨粉而成。这种龟甲石球内含有较高比例的铝硅土，因而煅烧后产生更多的硅酸盐。所以水硬特征十分明显，据说可以在5至15分钟内凝固。这种新产品显著改变了masonry的建造方式，因而收到建筑商的欢迎。从工业过程而言，它从天然石灰岩煅烧得来，应该归类于水硬石灰。由于它的水硬特性明显优于水硬石灰，化学史家把它归类为天然水泥natural cement。虽然James Parker的产品与罗马和历史上的罗马混凝土没有任何关系，有研究者认为他的专利导致了John Smeaton的著作 (1791年) 未能引起广泛兴趣。1807年罗马水泥专利到期。一名英国工厂主James Frost得以在他的工厂内生产罗马水泥。他开始研究如何通过人工配方来生产罗马水泥。1810年的时候他好像开发出一套新工艺，不过直到1822年他的工艺才获得专利许可，其产品被命名为不列颠水泥British cement， 更常见的名字是Frost’s cement。1825年他在肯特郡一个盛产白垩chalk和粘土clay的地方开建工厂，生产他的不列颠水泥和罗马水泥。经过不断地改进技术和工艺，日后这家工厂曾经成为英国最大的水泥生产商。
Sheppey岛上的Septaria石头，罗马水泥来自于此
水泥生产的利润吸引了更多人进入这个领域。不过生产专利似乎是其中最大的障碍。发明家通过创制一套新工艺来摆脱专利的限制。英国一名Brick layer砌砖工Joseph Aspdin是他们中间最成功者。他为自己的产品取名为波特兰水泥Portland cement，因为他的水泥凝固后的色调与英国一种名贵石灰岩波特兰石Portland stone很像。波特兰水泥在1824获得专利，在市场竞争中很快就后来居上，引发新的模仿。据说Joseph Aspdin完全没有化学知识，他的成功仅仅出于偶然。他在英格兰北方的利兹作一个砌砖工，是建筑工程上砌砖masonry部分的承包人。大概为了隐藏生产工艺，Joseph 在他的专利文件上写到，石灰lime的来源是道路上的铺路石。如果没有铺路石再去找石灰岩。这听来很可笑。他本人也的确两次因为从公路上掘取铺路石而被起诉。有人怀疑他是否理解自己的发明。我看他更像一个前工业时期的狡黠的小商人，没有充分利用资本主义体系的各种便利来发展自己的事业。
在波特兰水泥成为市场主流的发展中，有两位年轻人贡献最大。一位是Isaac Charles Johnson。另一位是Joseph 的儿子William。
Isaac Charles Johnson的父亲是一家水泥工厂的经理人。他本人16岁时学习化学的同时，开始在父亲的厂里打工。22岁时他成为James Frost开建的那家水泥厂的生产经理。此时Frost已经移民美国了。因为Joseph Aspdin花费精力保密，波特兰水泥的工艺和配方对外人而言仍是个谜。1845年时Johnson的老板想邀请Joseph的儿子William Aspdin加入公司，但是没有成功。Johnson于是自告奋勇要搞出这个波特兰水泥的配方。他后来（1905）回忆到：
我信心满满，因而劝老板把这事儿交给我。我以前说过，我无从搞到Aspdin的水泥制法。他把他的工厂封闭起来，连墙都有20几英尺高。只有通过工厂办公室才能进去，我是没法子。听他以前的合伙人说，Aspdin把他的水泥搞得很神秘，干活的工人都不知道究竟。他有一个托盘，里面几个格子分别装着硫化铜粉末，石灰岩粉末和其他东西。每次给窖炉kiln生火前，他就进去里面，把这些粉末撒到一层层的原料中间，整个过程都很神秘。我怎末做的？我买些他的水泥，交给伦敦最好的化学分析家，因为我的化学知识不足以当此重任。花了差不多两天时间，你猜分析家发现了什末主要成分？60%的磷酸钙phosphate of lime ！好了，我想，这好办。我从本地肉铺那里搞到骨头，在露天里煅烧，那股子恶臭搞得邻里鸡飞狗跳。我把骨灰和石灰lime以及其他水泥成分混在一起煅烧，尝试了不同的比例和燃烧程度，没能达到任何效果。
Johnson知道Frost的不列颠水泥的配方是2份白垩和1份本地产粘土，所以抛弃了伦敦分析家的说法，决定朝这个方向努力。他在 厂区内建立了一个实验室，日以继夜研究对比各种配方。他在不列颠水泥的原配方中加入更多的白垩，煅烧后窖炉中烧成了一些炉渣clinker样物质。他想起以前一位研究者建议扔掉炉渣的说法，决定反其道行之。炉渣磨粉后和窖炉中其他物质混合后体现了水硬特性。几天后他重复了这个实验，发现磨粉的炉渣本身的水硬特性更好。最终他确认了5份白垩和2份本地粘土的配方比例能够产生最好的效果。不久，按照这个工艺生产的水泥被法国瑟堡Cherbourg的一个政府工程项目采用。他自豪地回忆到，按照他的工艺配方生产的水泥，从此成为其他的供货商都要符合的一个质量标准。
Johnson认为自己是现代波特兰水泥的真正发明者。他后来开设了自己的工厂，其中一个分厂的生产持续到1971年。1911年时他接受了整个英国水泥工业代表祝贺他的百年生日，感谢他对于英国水泥工业的贡献。
尽管Johnson在英国水泥工业的历史上享有崇高地位，有研究者认为William Aspdin才是真正的现代波特兰水泥发明者。这不仅因为他父亲Joseph Aspdin最早取得波特兰水泥的专利，更因为William改进了工艺和配方。他生产的水泥，比法国人Louis Vicat ( 1817年)和英国人 Isaac Charles Johnson（1845年）的产品更加符合现代水泥的特征。
William Aspdin
William Aspdin在父亲工厂开始工作时只有14岁。1841年的时候他与父亲分手，跑到南方盛产白垩的肯特郡创业，此时也仅仅26岁。在父亲工厂10多年的经历，他大概领悟到水泥生产的关键，那就是适当的石灰和粘土的比例，更高的煅烧温度。这种工艺会产生一种与他父亲的快速凝固的水泥不同的，硬化相对缓慢，因而更适合于结构上用途的新水泥。他与人合伙开了一家工厂生产水泥，但是仍旧使用他父亲创立的波特兰水泥作为宣传手段，尽管他的水泥比他父亲的品质更优。有个著名的传说，说的是泰晤士河隧道修建时，有一次出现严重的河水泄漏。被誉为英国有史以来最伟大的工程师Brunel当机立断，从水面向隧道泄漏处投掷数以吨计的波特兰水泥，把泄漏堵住。这不大可能是事实。因为泰晤士河隧道竣工于1841年11月，而William在同年7月才来到肯特。难以想象在工程竣工前半年内还会出现严重的事故。不过，William的公司广告明确写着：
波特兰水泥，由W Aspdin, 本专利所有人之子独家生产。本产品已经泰晤士河隧道工程采用，可保证隔水效果20年以上。。
如果Brunel用波特兰水泥把整个隧道重新做封闭防水处理，这倒是可以理解。William应该属于不善经营的那种人。他破产两次，每次都遭到愤怒的债主追逐。后面那次破产，是Johnson收购了他的工厂。1857年他移民去到了德国汉堡地区。1860年在一名富裕的英国商人帮助下，他开设了德国最早的波特兰水泥工厂。这两个移民的成功引发了德国人建设水泥工厂的热情。4年后他就去世了。他在德国Lgerdorf的工厂几经转手最终被目前世界上最大的水泥厂商，瑞士Holcim 公司收购。虽然William Aspdin没有如Johnson那样功成名就，他对现代水泥的贡献伴随波特兰水泥的名字永存。
1859年伦敦大都市公用事业局London Cosmopolitan Board of Works的工程师John Grant通过漫长的对比试验，确定采用波特兰水泥作为伦敦城市排水系统的建筑材料。从此波特兰水泥在市场上特别是公共工程项目取得独占地位。其他种类的水泥在1880年后在市场上几乎销声匿迹了。波特兰水泥在英国的商业成功应该是Johnson的功劳。
距离William Aspdin开办德国第一家波特兰水泥厂之后不足20年，高效的德国人于1878年成立了德国水泥生产商协会，颁布了德国工业通用的波特兰水泥质量标准。到19世纪末期，欧洲三个主要国家英，法，德都实现了机械化的大规模水泥生产。水泥生产基本上成为技术问题：如何在控制成本的前提下实现水泥的设计指标。
好文
学水泥的半吊子飘过
学水泥的半吊子飘过
不错，将要搞水泥生产机械维修的飘过。
不懂看了晕了的飘过
古罗马的建筑多用火山灰，所以能保留比较久。中国少火山，古代建筑一般木结构。难以长期保存
砸过三合土的漂过，ps还真TM结实
还没有玩啊，请继续啊，
现代水泥的生产和质量控制
总括而言，石灰和水泥的差异在于三点：1。水泥的凝结速度快。2。水泥可以在水中凝结。3。水泥凝结后的强度远高于石灰。这些差异是水泥的化学成分决定的。而水泥的化学成分和比例与水泥的生产方式有关。通过对原料矿石的筛选，和生产过程的精密控制，水泥工厂可以提供各种符合设计要求（凝结时间，凝结强度）的水泥制品。
早期的瓶式窖炉
在William Aspdin的年代，水泥生产通过固定的瓶式窖炉实现，而这种窖炉与生产瓷器的窖炉几乎没有区别。所谓瓶式窖炉，说的是窖炉的外观如同一个瓶子。工人从瓶颈开口处把原料和焦炭放到窖炉中，在瓶底开口处收集烧好的clinker。从填料，点火，烧结到冷却的一个周期需要4-7天完成。等到William意识到窖炉温度对水泥产品的重要性时，他和父亲有了一次决定性的冲突。这导致了父子分手和现代水泥的诞生。William的生产工艺要求在窖炉内温度达到1450C。过高的燃料成本使得他的水泥价格比罗马水泥高出一倍。当波特兰水泥成为通用产品后，市场竞争机制促使生产商们设法控制生产成本，尤其在于燃料的使用效率。固定窖炉技术改进的最高峰止于1875年的霍夫曼式窖炉。这是一种由多达18个燃烧室环绕组成的窖炉。每若干个相邻的燃烧室相继起到单独的窖炉的作用，冷却成品所转移的热量通过气道输送到下一组燃烧室。从1870年开始，一系列关于旋转窖炉的英国专利被授予，但是真正实用的旋转窖炉是在美国的水泥工业开始的。从1895年开始，旋转窖炉逐渐成为水泥生产的标准设备。
预热塔和旋转窖炉
现代水泥生产通常包含三个工序。首先从自然中提取石灰岩和粘土。从Joseph Aspdin看似可笑的波特兰水泥专利文件我们就可以理解，符合条件的矿藏，便利的运输都是水泥工厂的最基本要素。石灰岩和粘土被运到水泥工厂后，经过粉碎这第一道工序，才能进入下一道工序，烧结。烧结是在旋转窖炉rotary kiln中进行的。旋转窖炉是现代水泥工厂的核心设备。它的外观像是一条大管子，倾斜着放在水平面上。英国传统的湿法工艺要求的旋转窖炉长度可以达到200米，管内直径有6米。原料经过预热后，从高的一端进入，凭借重力作用滑向低的一端。由于窖炉是转动的，原料在下滑的同时混合在一起。低端有明火形式的热源，能够提供高达1500C的温度。低端也是成品的出口。经过高温烧结形成的炉渣状物质clinker经人工鼓风快速冷却，进入存储库。用来冷却clinker的空气吸收热量后被循环用来预热原料。第三个工序是磨粉，即是把clinker磨成一定细度的粉末成为成品水泥。在这个过程中通常要加入适量的生石膏CaSO4.2H20作为水泥凝固时间调节剂。
干法水泥生产过程示意图
如图所示，在A点即预热塔内，石灰岩已经多半分解。在B点的温度大致1000C -1200C，原料结合成中间产物。C点就是燃烧区，温度达到1450C以上。小扁球状的clinker和其矿物组成在此固定。clinker在出口处经快速冷却后即可入库待用。实际过程比这个图示要复杂。整个生产过程是充分可控的。在原料和clinker的化学分析结果被实时反馈到生产过程中，以保证最终产品的理化指标符合设计要求。
Clinker的直径大致在1毫米到25毫米之间。它是一种复杂的不同化合物共存的形态。可以想象成一种溶解了许多物质在内的溶液，不过是固体形态。实际上在1450C铝酸盐，铁铝酸盐，未参与反应的二氧化硅和氧化钙都熔化混杂在一起，形成类似火山熔岩类的物质。所以在水泥内不存在单一的化学物质。从这点看，水泥与自然存在的岩石很类似。
就普通波特兰水泥OPC来看，其矿物组分主要是4类：Alite (主要成分是硅酸三钙Tricalcium silicate) ，占总重的65%左右；Belite（主要成分是硅酸二钙Dicalcium silicate），占总重的15%左右；铝酸三钙（绝大部分是铝酸三钙Tricalcium aluminate），占总重的7%左右；铁铝酸四钙（绝大部分是铁铝酸四钙Tetracalcium aluminoferrite），占总重的8%左右。总重的剩余成分是人工添加的生石膏和其他少量杂质。
上图为Clinker的光学显微照片。棕色为Alite, 蓝色为Belite，浅色为铁铝酸钙+铝酸钙。灰色部分是做样本用的树脂。为了显示效果，颜色经过人工处理。
波特兰水泥之所以会呈现这样复杂的成分，主要原因在于，作为原料的天然石灰岩和粘土，本身就有非常复杂的成分。虽然原料中的有效成分碳酸钙和二氧化硅经高温烧结成为硅酸三钙，其它化学成分也通过不同的化学反应生成各类化合物。
硅酸三钙是波特兰水泥中最重要的功能组分。作为标准化的产品，生产商通常向市场提供含有固定比例的硅酸三钙的水泥。在生产过程中有几个关键需要精密控制，才能达到这个目的。
首先是原料选择。因为天然石灰岩的化学成分不固定，每批到达工厂的石灰岩会含有不同比例的碳酸钙。工厂通常先储存粉碎后的石灰岩，然后按照需要混合不同批次以达到目标水平的碳酸钙比例。粘土中含有不同比例的二氧化硅，氧化铝等成分，因此同样需要混合批次。
原料的磨粉过程也极为重要。因为化学反应是在分子水平上进行的。固态下的化学反应，只有通过非常精细的粉末并且充分混合，才有可能完成。旋转窖炉的自旋功能就是起到混合原料的作用。在早期的水泥生产中，厂商通常用水把原料调成泥浆，因为水作为介质可以更好地把原料均质化。但是这种湿法工艺消耗更多燃料，因此被逐渐淘汰了。
窖炉的温度控制也是关键点之一。硅酸三钙只有在1450C的高温时才会形成。当温度下降到1200C时部分硅酸三钙会降解成硅酸二钙和氧化钙。所以在窖炉末端出口处成品clinker需要快速冷却。尽管如此，硅酸二钙和氧化钙的形成是不可避免的。
波特兰水泥的最后一道生产工序是把clinker磨粉。这与原料磨粉是同样目的，为了促进分子水平上的化学反应，不过在这里是硅酸盐的水合反应hydration。如果不同批次的成品中硅酸三钙比例差别过大，工厂可以在包装之前再次混合不同批次的产品。
工业产品是一国综合实力的象征。我们看到，虽然波特兰水泥的基本化学原理很简单，其生产实现过程要复杂得多。这是一个高能耗，高污染，同时对设备，技术和管理要求极高的产品。生产技术水平主要体现在成本控制和品质控制两个方面。水泥产品是一种低价值的基础建筑产品，大多数情况下在本地生产和销售。大型水泥跨国公司通过收购当地的水泥厂商进入本地市场。英国作为水泥工业的发源地，满足于本国技术和优质原料，面对20世纪德法日等国的技术进步而反应迟缓。其后果是英国的水泥工业主体已经沦为国际大公司（来自德国和法国）的生产部门，这与英国的国际地位是相关的。
随着环保理念的发展，水泥工业对环境的影响也逐渐引起关注。如何减少对自然环境的影响体现出水泥生产体系的成熟程度。在英国，许多开采过的石场被开辟成公园。对其他工业废物的利用也是现代水泥工业的一个特点。这方面的典型例子是钢铁工业的废物，炼钢过程中产生的鼓风炉炉渣blast-furnace slag。炉渣的形成机理与成分与火山灰很类似。所以水泥工业直接将炉渣磨粉，按比例与普通波特兰水泥混合。
最后谈谈白色波特兰水泥。它可以算是水泥生产品质控制的一个极端例子，也是水泥的装饰性用途的基础产品。
普通波特兰水泥OPC的颜色是灰色的。它与英国出产的一种石材波特兰石的颜色很类似，正好适合英国人保守内敛的审美观。普通波特兰水泥与彩色颜料混合的效果也不美观。20世纪初，法国的La Farge水泥公司开发出白颜色的波特兰水泥。这种水泥与彩色颜料混合后产生很好的装饰效果。
白色波特兰水泥与普通波特兰水泥的对比
白色波特兰水泥的生产对原料要求较之普通波特兰水泥要苛刻。水泥的灰色调来自于石灰岩和粘土中的杂质形成的化合物，具体而言是铬，镁，铁，铜等金属化合物。工厂在分析石灰岩成分后，会只采用这类金属氧化物比例相当低的批次作为原料。举铁氧化物为例，普通波特兰水泥的石灰石原料可以容许0.3%的氧化铁杂质，而白色波特兰水泥则要求石灰岩中的氧化铁含量不超过0.1%。对粘土的要求尤其不同。生产白色波特兰水泥的粘土是作为瓷器原料的高岭土。不过高岭土中二氧化硅的比例偏低，因此原料中需要加入沙子。这是相当纯净的二氧化硅。原料磨粉机械通常采用铬合金钢作为磨具原料。因为沙子的硬度很高，会导致铬合金钢的磨损，而磨损部分会混入磨粉原料中，这正是工厂所要竭力避免的情形。通常的解决办法是把沙子用陶瓷磨具单独磨粉，然后与其他原料混合。
白色波特兰水泥的生产也要求更高的窖炉温度。这是因为原料铁杂质少导致窖炉中较少的熔岩产生，这不利于clinker的形成。补偿方式就是提高窖炉温度。
对白色波特兰水泥颜色品质的评定是以重晶石粉末的颜色为100%标准。欧盟标准白色波特兰水泥的白度通常在85%以上。这与我国的国家标准是一致的。
总括而言，石灰和水泥的差异在于三点：1。水泥的凝结速度快。2。水泥可以在水中凝结。3。水泥凝结后的强度远高于石灰。这些差异是水泥的化学成分决定的。而水泥的化学成分和比例与水泥的生产方式有关。通过对原料矿石的筛选，和生产过程的精密控制，水泥工厂可以提供各种符合设计要求（凝结时间，凝结强度）的水泥制品。
早期的瓶式窖炉
在William Aspdin的年代，水泥生产通过固定的瓶式窖炉实现，而这种窖炉与生产瓷器的窖炉几乎没有区别。所谓瓶式窖炉，说的是窖炉的外观如同一个瓶子。工人从瓶颈开口处把原料和焦炭放到窖炉中，在瓶底开口处收集烧好的clinker。从填料，点火，烧结到冷却的一个周期需要4-7天完成。等到William意识到窖炉温度对水泥产品的重要性时，他和父亲有了一次决定性的冲突。这导致了父子分手和现代水泥的诞生。William的生产工艺要求在窖炉内温度达到1450C。过高的燃料成本使得他的水泥价格比罗马水泥高出一倍。当波特兰水泥成为通用产品后，市场竞争机制促使生产商们设法控制生产成本，尤其在于燃料的使用效率。固定窖炉技术改进的最高峰止于1875年的霍夫曼式窖炉。这是一种由多达18个燃烧室环绕组成的窖炉。每若干个相邻的燃烧室相继起到单独的窖炉的作用，冷却成品所转移的热量通过气道输送到下一组燃烧室。从1870年开始，一系列关于旋转窖炉的英国专利被授予，但是真正实用的旋转窖炉是在美国的水泥工业开始的。从1895年开始，旋转窖炉逐渐成为水泥生产的标准设备。
预热塔和旋转窖炉
现代水泥生产通常包含三个工序。首先从自然中提取石灰岩和粘土。从Joseph Aspdin看似可笑的波特兰水泥专利文件我们就可以理解，符合条件的矿藏，便利的运输都是水泥工厂的最基本要素。石灰岩和粘土被运到水泥工厂后，经过粉碎这第一道工序，才能进入下一道工序，烧结。烧结是在旋转窖炉rotary kiln中进行的。旋转窖炉是现代水泥工厂的核心设备。它的外观像是一条大管子，倾斜着放在水平面上。英国传统的湿法工艺要求的旋转窖炉长度可以达到200米，管内直径有6米。原料经过预热后，从高的一端进入，凭借重力作用滑向低的一端。由于窖炉是转动的，原料在下滑的同时混合在一起。低端有明火形式的热源，能够提供高达1500C的温度。低端也是成品的出口。经过高温烧结形成的炉渣状物质clinker经人工鼓风快速冷却，进入存储库。用来冷却clinker的空气吸收热量后被循环用来预热原料。第三个工序是磨粉，即是把clinker磨成一定细度的粉末成为成品水泥。在这个过程中通常要加入适量的生石膏CaSO4.2H20作为水泥凝固时间调节剂。
干法水泥生产过程示意图
如图所示，在A点即预热塔内，石灰岩已经多半分解。在B点的温度大致1000C -1200C，原料结合成中间产物。C点就是燃烧区，温度达到1450C以上。小扁球状的clinker和其矿物组成在此固定。clinker在出口处经快速冷却后即可入库待用。实际过程比这个图示要复杂。整个生产过程是充分可控的。在原料和clinker的化学分析结果被实时反馈到生产过程中，以保证最终产品的理化指标符合设计要求。
Clinker的直径大致在1毫米到25毫米之间。它是一种复杂的不同化合物共存的形态。可以想象成一种溶解了许多物质在内的溶液，不过是固体形态。实际上在1450C铝酸盐，铁铝酸盐，未参与反应的二氧化硅和氧化钙都熔化混杂在一起，形成类似火山熔岩类的物质。所以在水泥内不存在单一的化学物质。从这点看，水泥与自然存在的岩石很类似。
就普通波特兰水泥OPC来看，其矿物组分主要是4类：Alite (主要成分是硅酸三钙Tricalcium silicate) ，占总重的65%左右；Belite（主要成分是硅酸二钙Dicalcium silicate），占总重的15%左右；铝酸三钙（绝大部分是铝酸三钙Tricalcium aluminate），占总重的7%左右；铁铝酸四钙（绝大部分是铁铝酸四钙Tetracalcium aluminoferrite），占总重的8%左右。总重的剩余成分是人工添加的生石膏和其他少量杂质。
上图为Clinker的光学显微照片。棕色为Alite, 蓝色为Belite，浅色为铁铝酸钙+铝酸钙。灰色部分是做样本用的树脂。为了显示效果，颜色经过人工处理。
波特兰水泥之所以会呈现这样复杂的成分，主要原因在于，作为原料的天然石灰岩和粘土，本身就有非常复杂的成分。虽然原料中的有效成分碳酸钙和二氧化硅经高温烧结成为硅酸三钙，其它化学成分也通过不同的化学反应生成各类化合物。
硅酸三钙是波特兰水泥中最重要的功能组分。作为标准化的产品，生产商通常向市场提供含有固定比例的硅酸三钙的水泥。在生产过程中有几个关键需要精密控制，才能达到这个目的。
首先是原料选择。因为天然石灰岩的化学成分不固定，每批到达工厂的石灰岩会含有不同比例的碳酸钙。工厂通常先储存粉碎后的石灰岩，然后按照需要混合不同批次以达到目标水平的碳酸钙比例。粘土中含有不同比例的二氧化硅，氧化铝等成分，因此同样需要混合批次。
原料的磨粉过程也极为重要。因为化学反应是在分子水平上进行的。固态下的化学反应，只有通过非常精细的粉末并且充分混合，才有可能完成。旋转窖炉的自旋功能就是起到混合原料的作用。在早期的水泥生产中，厂商通常用水把原料调成泥浆，因为水作为介质可以更好地把原料均质化。但是这种湿法工艺消耗更多燃料，因此被逐渐淘汰了。
窖炉的温度控制也是关键点之一。硅酸三钙只有在1450C的高温时才会形成。当温度下降到1200C时部分硅酸三钙会降解成硅酸二钙和氧化钙。所以在窖炉末端出口处成品clinker需要快速冷却。尽管如此，硅酸二钙和氧化钙的形成是不可避免的。
波特兰水泥的最后一道生产工序是把clinker磨粉。这与原料磨粉是同样目的，为了促进分子水平上的化学反应，不过在这里是硅酸盐的水合反应hydration。如果不同批次的成品中硅酸三钙比例差别过大，工厂可以在包装之前再次混合不同批次的产品。
工业产品是一国综合实力的象征。我们看到，虽然波特兰水泥的基本化学原理很简单，其生产实现过程要复杂得多。这是一个高能耗，高污染，同时对设备，技术和管理要求极高的产品。生产技术水平主要体现在成本控制和品质控制两个方面。水泥产品是一种低价值的基础建筑产品，大多数情况下在本地生产和销售。大型水泥跨国公司通过收购当地的水泥厂商进入本地市场。英国作为水泥工业的发源地，满足于本国技术和优质原料，面对20世纪德法日等国的技术进步而反应迟缓。其后果是英国的水泥工业主体已经沦为国际大公司（来自德国和法国）的生产部门，这与英国的国际地位是相关的。
随着环保理念的发展，水泥工业对环境的影响也逐渐引起关注。如何减少对自然环境的影响体现出水泥生产体系的成熟程度。在英国，许多开采过的石场被开辟成公园。对其他工业废物的利用也是现代水泥工业的一个特点。这方面的典型例子是钢铁工业的废物，炼钢过程中产生的鼓风炉炉渣blast-furnace slag。炉渣的形成机理与成分与火山灰很类似。所以水泥工业直接将炉渣磨粉，按比例与普通波特兰水泥混合。
最后谈谈白色波特兰水泥。它可以算是水泥生产品质控制的一个极端例子，也是水泥的装饰性用途的基础产品。
普通波特兰水泥OPC的颜色是灰色的。它与英国出产的一种石材波特兰石的颜色很类似，正好适合英国人保守内敛的审美观。普通波特兰水泥与彩色颜料混合的效果也不美观。20世纪初，法国的La Farge水泥公司开发出白颜色的波特兰水泥。这种水泥与彩色颜料混合后产生很好的装饰效果。
白色波特兰水泥与普通波特兰水泥的对比
白色波特兰水泥的生产对原料要求较之普通波特兰水泥要苛刻。水泥的灰色调来自于石灰岩和粘土中的杂质形成的化合物，具体而言是铬，镁，铁，铜等金属化合物。工厂在分析石灰岩成分后，会只采用这类金属氧化物比例相当低的批次作为原料。举铁氧化物为例，普通波特兰水泥的石灰石原料可以容许0.3%的氧化铁杂质，而白色波特兰水泥则要求石灰岩中的氧化铁含量不超过0.1%。对粘土的要求尤其不同。生产白色波特兰水泥的粘土是作为瓷器原料的高岭土。不过高岭土中二氧化硅的比例偏低，因此原料中需要加入沙子。这是相当纯净的二氧化硅。原料磨粉机械通常采用铬合金钢作为磨具原料。因为沙子的硬度很高，会导致铬合金钢的磨损，而磨损部分会混入磨粉原料中，这正是工厂所要竭力避免的情形。通常的解决办法是把沙子用陶瓷磨具单独磨粉，然后与其他原料混合。
白色波特兰水泥的生产也要求更高的窖炉温度。这是因为原料铁杂质少导致窖炉中较少的熔岩产生，这不利于clinker的形成。补偿方式就是提高窖炉温度。
对白色波特兰水泥颜色品质的评定是以重晶石粉末的颜色为100%标准。欧盟标准白色波特兰水泥的白度通常在85%以上。这与我国的国家标准是一致的。
五藤高庆 发表于 2012-12-19 10:33
现代水泥的生产和质量控制
总括而言，石灰和水泥的差异在于三点：1。水泥的凝结速度快。2。水泥可以在 ...
你那个量子力的好像没转发完吧
现代水泥的生产和质量控制
总括而言，石灰和水泥的差异在于三点：1。水泥的凝结速度快。2。水泥可以在 ...
你那个量子力的好像没转发完吧
尽吹散 发表于 2012-12-23 08:08
你那个量子力的好像没转发完吧
作者没翻译完呢，等等吧，等他翻译完了之后我转发
你那个量子力的好像没转发完吧
作者没翻译完呢，等等吧，等他翻译完了之后我转发