水泥
96/01/09
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郝俠遂｜
淡江大學化學系
水泥的由來
古代的希臘人與羅馬人建造了無數的道路、城牆、溝渠等工程，一直到今天，這些工程中的一小部分仍然使用著。它們會這麼堅固耐久，不僅僅是因為希臘人與羅馬人有高明的工程設計和精心製作的磚石材料，還因為他們大量使用原始型態的水泥來結合這些材料。他們在建築工程中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，這就是最早的水泥。
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。古代羅馬人特別擅長這類建材的製造，他們混合水泥與火山灰以及碎黏土塊，用來建造水渠與其他結構物。事實上，從羅馬時代一直到18世紀，水泥製造的方式和過程可以說沒有太大的改變。
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燒而得到水泥的方法，並且取得英國的專利權。之後，從1825年起便在英國建廠生產。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）。阿斯普丁曾用這種水泥建造了英國倫敦泰晤士河的河底隧道。
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。在1825年，他寫了世界上第一本有關水泥製造的書籍，在莫斯科出版了，書名很長：《適用水下建築工程如運河、橋梁、貯水池、堤壩、隧道和磚木結構粉刷等品質優良價格低廉的泥灰土或水泥的製造指南》。
他在書裡介紹了水泥的製造方法，是把石灰和黏土以一比一的比例混合攪勻，然後加水摻和，製造成如磚塊大小的方塊，在爐裡燒到乾，然後把所得的產品碾細過篩，就製成了水泥。他說，如果在攪拌時加些石膏，可以使水泥的強度增加。這種製造水泥的原理，跟現代幾乎完全相同。
水泥為何會凝結
不同種類的水泥有不同的組成，以使用最多的波特蘭水泥為例，有氧化鈣（CaO）占63％、二氧化矽（SiO2）占22％、氧化鋁（Al2O3）占6％、三氧化二鐵（Fe2O3）占3％、氧化鎂（MgO）占1.5％、三氧化矽（SiO3）占1.5％、氧化鈉（Na2O）與氧化鉀（K2O）共占0.5％、其他成分占2.5％。
科學家嘗試研究水泥凝結的機制，靠著電子顯微鏡的幫助，才知道了水泥的「內幕」。當水加入水泥粉中以後，就產生化學反應而開始硬化。整個過程的發生可以分成兩個步驟。第一個步驟在水泥與水混合後就開始了，雖然水泥已被磨成極細的粉末，但在顯微鏡下仍然可以看出它是由小的粒子組成的，這些小粒子迅速被一層薄薄的凝膠包圍。這層凝膠慢慢地擴大，一直到粒子與粒子間相互接觸而附著在一起。在兩小時以內，就會形成一種濃密如黏土般的黏性物，稱作水泥漿。
第二個步驟大約在摻水3～5小時以後才開始，包著顆粒的薄膜開始朝外生出一些莖狀物。在這個時候，從電子顯微鏡看來，每一個粒子都像是一隻迷你的刺蝟。這些中空管狀的小莖，在反應進行中越生越多，越生越長，並且開始互相交織，最後形成錯綜複雜的網狀物，這種結構使得水泥漿混合物更加牢固。再經過幾個小時，它就像岩石一般地堅硬了。
由於電子顯微鏡的使用和化學研究技術的進步，我們對於上述的反應過程，才能有充分的了解並做精確的描述。透過這種了解，科學家才能試圖改變反應過程，以生產品質更佳的水泥。
水泥顏色的變化
從簡單的四層樓公寓到高聳入雲的摩天大樓，從溪上的小橋到橫跨水庫的大壩，都要使用水泥，而且各有不同的需求。要滿足各種工程的不同需要，不一定要生產各種不同的水泥，也可以在普通水泥裡摻入一些添加物來解決。目前，市面上已經有多達三百多種以化學劑、礦物劑、泡沫劑為主要類型的各種添加劑，分別具有疏水、防水、緩凝、抗凍、防腐、染色、膨脹等各式各樣的功能。這些添加物可以使水泥適應造屋、橋梁、水利、道路、船舶、工業等各種不同的需要。
水泥建築物大多數呈現灰灰暗暗的顏色，所以常以「水泥叢林」來形容大城市的市貌。為了彌補水泥色彩單調的缺點，可以用不含氧化鐵和錳的純粹石灰石和白黏土製成白水泥。在灰白色的水泥中加進硫酸鋇，也可以起增白的作用，成為白水泥。另外，摻入貝殼磨成的粉，也可以燒製出另一種白水泥。
有了白水泥當底子，就可以生產出彩色的水泥。例如在白色水泥中加進氧化釩，可以製成紅色水泥；加進鉻酸鉛，可以製作成黃色水泥；加進氧化鉻，可以製成綠色水泥；加進硫化錫，可以製成金色水泥。這些加工物可以使得城市建築物變得更亮麗多彩。最有趣的是「變色水泥」，在水泥燒製過程中加進二氯化鈷，它在空氣乾燥時，呈現藍色；天快要下雨空氣潮濕時，它變成紫色；下雨以後，這種水泥又因為吸了水分而變成豔麗的玫瑰色。除了多采多姿以外，還可以預報天氣呢！
特種水泥
隨著科學技術的進步與使用上的需求，也出現了具有各式各樣奇妙功能的特種水泥，例如耐酸水泥、彈性水泥、潤滑水泥、油井水泥、防水水泥、快硬水泥、膨脹水泥、耐高溫的高鎂水泥、放射性包封用的水泥等。
貯存水泥時，不能讓它受潮或被雨淋濕，以致結塊變硬，失去效力。如果在水泥熟料磨細的時候，加進一種叫油酸鈉的化合物，在磨出來的水泥顆粒表面上就會形成一層防水薄膜，成為防水水泥。這種防水水泥在運輸過程中不怕雨淋，即使在潮濕的地下室裡貯存幾個月，也不會結硬。防水水泥不但方便運輸和儲藏，用它組成的混凝土有黏性較大、耐凍性較好、耐蝕性比較高、膨脹較小等特性，適合在高層建築上使用。
防水水泥既然不怕水，會不會影響它與水摻合成混凝土呢？這倒不必擔心，因為當防水水泥和細砂、石子、水摻合攪拌時，砂石會把水泥顆粒外面的薄膜割破，讓水泥恢復原來的面貌，馬上就可以與水結合了。
為了縮短施工時間，提高效能，可以使用快乾水泥。快乾水泥也叫快硬水泥，因為它乾得快，硬得早。如果在燒製水泥的原料裡加進3％的氯化鈣，就可以製出快乾水泥，使混凝土硬化速率加快。另外有一種專門的快乾水泥，是用石灰石和鐵礬土燒到燒結狀態，再磨成細粉而製成的。這種水泥在結硬的時候，會放出大量的熱，很適宜在冬季施工時使用。快乾水泥大半用在與時間賽跑的工程上，例如快速搶修工程、重要道路的修補工程等都得用到它。
以普通水泥為原料摻合的混凝土，在結硬的時候體積往往會微幅縮小，因此建築物上偶爾會出現一些細小的裂縫。如果在普通水泥原料中摻入大約2％的硫鐵酸鈣，就成了膨脹水泥，體積膨脹約0.15％。它可用來修理破損的建築物，當膨脹水泥混凝土硬化後，就緊密地與原來的混凝土膠合在一起，減少了收縮的裂痕。另外，膨脹水泥有不透水的特性，廣泛使用在許多工程中，如海岸與水庫的堤壩、防水層工程、建築物柱子的連接、礦井和機器底等都會用到它。
水泥遇到強酸強鹼會發生化學作用，使得混凝土受到損壞，因此化學工廠的廠房，一定要用能耐得住強酸鹼腐蝕的水泥。如果用石英砂、氟矽酸鈉與水玻璃依一定比例調和，乾燥以後再把它磨細，就可製出耐酸的水泥了。耐鹼水泥是在普通水泥中加入石灰岩、白雲岩、花崗岩和石英砂為材料製成的，這種水泥適用在建造容易受到鹼液腐蝕的化學工廠的操作平台、樓板、地基等。
大約10年前，英國的卜內門公司發明了一種稱為「無缺陷水泥」的新產品，改變了人們對水泥的傳統形象。水泥雖然很結實，但它有個缺點，那就是「脆」。卜內門公司的研究人員設法克服這個缺點，他們發現，水泥製品凝固時，隱藏在其中的氣泡是降低強度的主要原因。因此，他們在製造水泥製品的過程中，採用完善的攪拌方式，驅除其中的氣泡，同時加入少量聚合凝固物質，結果就得到一種新型、無缺陷的彈性水泥。
這種彈性水泥能夠在一定範圍內被壓縮和拉伸，一張0.3公分厚的水泥薄片居然能如橡皮那麼柔軟，用手無法折斷它。如果把這種軟的水泥條纏繞在硬紙筒上，凝固以後就像彈簧一樣具有相當的彈性。彈性水泥可以像塑膠一般澆注或模壓成各種形狀，做成水泥齒輪等物品。工業界普遍認為彈性水泥會在許多方面取代塑膠與金屬，使水泥的使用領域更加廣闊。
高速公路帶來交通便利，但來往的車輛也發出很大的噪音，因此在穿過市區的路段通常都要築起隔音牆來降低噪音。最近德國的道路工程師正在研發一種「悄聲混凝土」，以減少噪音的分貝數。
高速公路的建材是以瀝青為主，工程師把減音材料混入瀝青中，發現確實有減音效果。可惜的是這種效果並不太能持久，根據實驗，只能維持8年的時間。於是就嘗試把減音材料摻入混凝土中，初步實驗發現能把噪音減低一半，比瀝青效果好。這種悄聲混凝土減音效果的持久性還在測試與改良中，目前還未到實際使用階段，我們且拭目以待吧。
水泥工業的污染性
雖然水泥為我們帶來這麼多的好處，尤其是在建築物和交通上，然而水泥的原料主要是從礦石開採來的，生產水泥是一種消耗能源也不可避免地帶來一些污染的工業。
水泥工業是一種高耗能的產業，所耗用的燃料主要是煤炭、電力和重油，生產每公噸的水泥平均要耗用112.9度的電、132.7公斤的煤和0.42公升的重油。依據經濟部能源局的調查報告，水泥業消耗各項能源的比率是燃煤75％、電力23％及燃油1.5％，能源支出占總生產成本的三分之二以上。
水泥工業造成的空氣污染是很嚴重的，在臺灣地區的84種污染行業中，水泥業就在前幾名。每年排放近10萬公噸的硫氧化合物（SOx）、和大約2萬5千公噸的氮氧化合物（NOx），這兩者都高居污染行業的首要地位。總懸浮微粒（total suspended particulates, TSP）的排放量大約是每年4萬5千公噸，也高居第2位。
另外，水泥的主要原料是石灰石與黏土。一公噸的水泥需要1.4公噸的石灰石、300公斤的黏土和60公斤的矽砂，這些原料大半來自東部的海岸山脈。過去水泥業者大都用露天的開採方式，以節省成本，但常常會造成水土流失、坍方、景觀和生態的破壞、動植物滅絕的嚴重後遺症。在環保意識逐漸抬頭以後，水泥業者大半已經改用豎井式開採法，這種從山頂鑿洞開採的方式，比較不會造成礦區地表的裸露，對整體生態環境的破壞已經有相當程度的改善。
