谁发现了水泥？

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水泥是一种建筑用胶凝材料，按化学成分可分为三类:硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥。硅酸盐水泥是常用的水泥，也称为硅酸盐水泥。铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥是特殊用途水泥。本文描述了波特兰水泥的发明。

有人喜欢把水泥称为建筑的食物，水泥在人类文明中占有重要地位。现在，世界水泥产量已达20亿吨，是现代社会不可或缺的大宗产品。

水泥的发明是人类在生产实践中长期积累的结果。它是在古代建筑胶凝材料的基础上发展起来的，经历了漫长的历史过程。

古代西方国家的建筑胶凝材料

在水泥发明的几千年前，粘土首先在西方被用作胶结材料。古埃及人用尼罗河的泥土来建造未燃烧的土坯。为了增加强度和减少收缩，沙子和草也被混入泥浆中。用这种土建造的建筑不耐水，经不起雨水和河水的侵蚀，但在干旱地区可以保存多年。

大约在公元前3000年到公元前2000年，古埃及人开始使用煅烧石膏作为建筑胶结材料，煅烧石膏被用于埃及古代金字塔的建造。公元前30年埃及并入罗马帝国之前，古埃及人用煅烧石膏来建造建筑物。

古希腊人不同于埃及人。建筑中使用的胶结材料是煅烧石灰石制成的石灰。公元前146年，罗马帝国吞并希腊，继承了希腊人生产和使用石灰的传统。罗马人使用石灰的方法是将石灰用水溶解，与沙子混合形成灰浆，然后用这种灰浆建造建筑物。用石灰砂浆砌成的古罗马建筑，有些非常坚固，甚至保存至今。

古罗马人改进了石灰的使用技术，在石灰中不仅掺入了沙子，还掺入了磨碎的火山灰，在没有火山灰的地区还掺入了与火山灰效果相同的地面砖。这种砂浆与“石灰砂”双组份砂浆相比，强度和抗水性都有了很大的提高，用它建造的普通建筑和水下建筑更耐用。有人把“石灰-火山灰-沙子”三组分砂浆称为“罗马砂浆”。

罗马人制作砂浆的知识广为传播。在古代法国和英国，这种三组分砂浆被广泛用于建造各种建筑。

在欧洲建筑史上，“罗马砂浆”的应用持续了很长时间。然而，在9世纪，10和11世纪，这种迫击炮技术几乎失传。在这漫长的时间里，砂浆用的石灰都是煅烧不良的石灰石块，碎砖也没有磨细，质量很差。到了12、13、14世纪，石灰煅烧的质量逐渐提高，碎砖和火山灰被磨得很细，“罗马臼”的质量又回到了原来的水平。

中国古代建筑胶凝材料的发展有其独特的漫长历史过程。

“白灰脸”

早在公元前5000-3000年，新石器时代仰韶文化时期，就有人用“白膏”涂抹洞穴和地窖的地面和墙壁，使其光滑坚硬。“白灰面”因其白色粉末而得名，这种粉末是由天然的姜石制成的。姜石是一种二氧化硅含量较高的石灰岩块，常夹杂在黄土中，是黄土中的钙质结核。“白灰膏”是中国古代最早的建筑胶凝材料。

黄泥公元前16世纪商朝时期，地穴建筑迅速发展为木结构。这个时候，除了用“白灰膏”抹地面，土坯墙都是用黄泥砌的。公元前403年到公元前221年的战国时期，用黄泥掺草砌墙，也用来在土墙上衬墙砖。在中国建筑史上，“白灰膏”早就被淘汰了，而黄泥和草混合黄泥作为胶结材料一直沿用到了现代社会。

石灰出现在公元前7世纪的周朝。周代的石灰是用巨蛤的壳制成的。蛤壳的主要成分是碳酸钙，煅烧至所有碳酸气体逸出形成石灰。《左传》中有记载:“成公二年(即公元前635年)，八月宋文公死，与鹳灰合葬”。红灰是用蚌壳烧制而成的石灰材料，在周代已发现有良好的吸湿和防潮及胶凝性能。在提倡厚葬的古代，为了长久保存墓葬，在墓葬中使用骨灰作为吸湿防潮材料。在建造坟墓时，灰烬被用作胶结材料来建造坟墓等。明代《天工开物》一书中有一幅《焚屋法图》，说明鹳灰的生产和使用从周朝到明朝一直没有失传，在中国历史上流传已久。

到秦汉时期，除了木结构建筑外，砖石结构占据了重要地位。砌体结构必须用优良的胶凝材料建造，这促进了石灰制造业的快速发展，从世界各地收集的石灰石用来烧制石灰，于是石灰生产点应运而生。当时石灰的使用方法是将石灰与水混合制成石灰浆，然后用石灰浆砌石、砌砖墙和砌筑拱券，粉刷墙壁。在汉代，石灰的应用已经非常普遍，用石灰建造的砖石结构可以建造多层亭台楼阁。

中国万里长城始建于公元前7世纪至公元17世纪，先后有20多个朝代主持和参与修建。秦、汉、明三个朝代修建的时间最长，在5万公里的长城中修建了5000多公里。在这三个朝代，石灰胶凝材料已经发展到更高的水平，并被广泛用于建造长城。因此，长城的许多部分被后人发现是由石灰制成的。

明代的《天工吴凯》一书中也详细记载了石灰的制作方法。清代《建法》一书记载了石灰烧制技术与石灰性能的关系。这些记录表明，自明清以来，中国积累了丰富的石灰生产和使用知识。

“三土”

在公元5世纪的中国南北朝时期，出现了一种名叫“三混凝土”的建筑材料，由石灰、粘土和细砂组成。到了明代，出现了石灰、陶粉、碎石组成的“三土”。清代有石灰、粘土、细砂组成的“三合土”，也有石灰、矿渣、砂。清代《宫石桥实录》一书中对“三土”的比例作了说明:“灰土是石灰和黄土的混合物，或称三土”；灰土掺入46%，石灰掺入40%，黄土掺入60%。用现代人的眼光来看，“三土”就是以石灰和黄土或其他火山灰材料为结合剂，以细砂、砾石或矿渣为填料的混凝土。“混凝土”与古罗马的三组分砂浆，即“罗马砂浆”有很多相似之处。

“混凝土”自问世以来，一般被用作地板、屋顶、建筑基础和地面垫层。“三土”不仅压实后强度高，而且防水性能好。清朝的时候也是用来夯大坝的。

有趣的历史巧合是，中国这个遥远的东方古国，在欧洲大陆采用类似“罗马砂浆”的“三混凝土”时，也在使用。

我国古建筑胶凝材料发展的一个显著特点是使用掺有有机物的胶凝材料，如石灰糯米、石灰桐油、石灰血料、石灰白芨、石灰糯米明矾等。此外，使用“三土”时，糯米、血料等有机物混合在一起。

根据民间传说，在秦朝修建长城时，糯米汁被用来建造砖石。考古发现，南北朝时期河南省邓县画像的砖墙衬有含淀粉的胶凝材料。河南登封县少林寺，以及北宋宣和二年、明弘治十二年、嘉靖四十年等不同年代的塔，都是用掺有淀粉的石灰作为胶结材料建造的。《宋会要》记载南宋主干道建于1170六年。“城墙以砖灰五层，城面以糯米粥灰铺成，雄伟耐久。”南京城建于明朝，是世界上最大的砖石城墙。它的基础是夯土，外面是巨大的砖块。胶结材料采用石灰，重要部位用石灰和糯米汁灌浆。城墙上部混合了桐油和泥土，非常坚固。用桐油或糯米汁混合明矾和石灰制成的胶结材料具有非常好的粘结性，常用于修复假山，至今仍在古建筑的修复中使用。

将“混凝土”与有机物混合作为建筑的施工方法，在史料中经常见到。明代的《天宫吴凯》一书中记载:“用作坟墓和储水箱时，将一部分骨灰放入河沙中，另一部分放入黄土中，与糯米、核桃汁混合均匀。筑牢后，永不破损，故称三重土。”在中国建筑史上，清朝康熙年间，北京卢沟桥南北两岸用糯米糍汁修筑了数里，使北京南郊免遭水患。石桥建造史上记载，用糯米和牛血混合“三土”建造的石桥，凝固后坚固如花岗岩。糯米汁掺“三土”的建筑，非常坚硬坚韧。用鹤嘴锄刨时，会产生火花，有的甚至需要火药才能炸开。

中国历史悠久，在人类文明创造过程中取得了辉煌成就和重要贡献。英国著名科学史家李约瑟在《中国科学技术史》一书中写道:“从公元3世纪到公元13世纪，中国保持着西方国家望尘莫及的科学知识水平”；中国的发明和发现远远超过了同时期的欧洲，尤其是在15世纪之前。我国古建筑胶凝材料的发展过程是从“白灰面”和黄泥到石灰和“三混凝土”，再到掺有石灰和有机质的胶凝材料。从这一历史过程中，我们可以得出与科学史家李约瑟相似的结论。中国的古建筑胶结材料有着自己辉煌的历史，在与西方古建筑胶结材料发展的过程中，由于大量使用石灰与有机物结合的胶结材料，略胜一筹。

但是近几个世纪以来，中国已经落后了，尤其是清朝乾隆末年，也就是18世纪结束以后，科技与西方的差距越来越大。我国古建筑胶凝材料的发展在达到掺有石灰和有机物的胶凝材料阶段后就停止了，未能在此基础上向前迈进一步。西方古代建筑的胶结材料在“罗马砂浆”的基础上继续发展，并向现代水泥方向改进，最终发明了水泥。

现代水泥的发明

现代水泥的发明有一个循序渐进的过程，不是一蹴而就的。

水硬性石灰18世纪中期，英国航海发达，但触礁、沙滩等海难事故频发。为了避免船只失事，灯塔被用来导航。当时英国建造灯塔的材料有两种:木材和“罗马砂浆”。然而，当暴露在海水中时，木材是易燃和易腐的；“罗马砂浆”虽然有一定的抗水性，但经不起海水的冲刷和侵蚀。由于材料在海水中不耐用，灯塔经常受损，船只无法安全航行，快速发展的航运业遇到重大障碍。为了解决航运安全问题，从65438年到2008年，寻找耐海水侵蚀的材料，建造耐用的灯塔，成为英国50年代经济发展的重中之重。对此，英国议会不惜重金聘请人才。被尊为英国土木工程之父的工程师j .斯米顿受雇承担建造灯塔的任务。

在1756史密斯顿灯塔施工过程中，研究了“石灰-火山灰-砂”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，经过煅烧和细磨后，加水可以慢慢硬化，在海水中的强度比“罗马砂浆”高得多，可以承受海水的侵蚀。史密斯顿用新发现的砂浆在普利茅斯港建造了举世闻名的埃迪斯-斯通灯塔。

由含有粘土的石灰石制成的石灰被称为水凝石灰。史密斯顿的发现是水泥发明过程中知识积累的一大飞跃，不仅为英国航海业做出了贡献，也为“波特兰水泥”的发明发挥了重要作用。然而，史密斯顿成功研究的水硬性石灰并没有得到广泛应用。当时，由石灰、火山灰和沙子组成的“罗马砂浆”仍被广泛使用。

罗马水泥1796，英国J.Parker把一种叫SepaTria的粘土石灰石磨成球团，在高于烧石灰的温度下煅烧，再磨成水泥。帕克将这种水泥称为“RomanCement”，并获得了这种水泥的专利权。“罗马水泥”可以用于与水接触的工程，因为它凝结迅速。它在英国被广泛使用，直到被“波特兰水泥”取代。

几乎在生产“罗马水泥”的同时，法国人也用泥灰制造水泥，其在布洛涅地区的化学成分接近现代水泥。这种接近现代水泥化学成分的天然泥灰岩称为水泥灰岩，用这种石灰岩制成的水泥称为天然水泥。美国人也在罗森戴尔和路易斯维尔用泥灰制造天然水泥。在19的80年代以及此后的很长一段时间里，天然水泥在美国被广泛使用，并一度在建筑行业占据非常重要的地位。

英国水泥英国人J·福斯特(J.Foster)是一位致力于水泥的研究者。他将两个重量份的白垩和一个重量份的粘土混合，然后用水湿磨成泥浆，送到一个槽中沉淀，将沉淀物在大气中干燥，然后放入石灰窑中煅烧。温度以物料中的碳酸气体完全挥发为准，煅烧产物为淡黄色，冷却后磨细成水泥。福斯特将这种水泥称为“BritishCement”，并于10月22日获得了英国专利号4679，1822+65438。

“英国水泥”由于煅烧温度低，质量明显不如“罗马水泥”，所以价格低，销量也不大。这种水泥虽然没有得到广泛推广，但其制造方法是现代水泥制造的雏形，也是水泥知识积累的又一次飞跃。福斯特还为现代水泥的发明做出了贡献。

波特兰水泥(Portland cement)1824 10 10月21日，英国利兹的泥水匠asp丁获得了英国第5022号“波特兰水泥”专利证书，从而成为不朽的水泥发明家。

他的专利证书中描述的“硅酸盐水泥”的制造方法是:“将石灰石捣成细粉，加入一定量的粘土，与水混合，人工或机械搅拌成浆状。把泥放在盘子里，加热晾干。将干料破碎成块，然后放入石灰窑中煅烧，直到石灰石中的碳酸气体全部逸出。煅烧后的熟料经冷却、粉碎和研磨制成水泥。使用水泥时，加入少量的水，搅拌成适当稠度的砂浆，可适用于各种工作场合。”

这种水泥水化硬化后的颜色与英国波特兰的建筑石材颜色相似，因此被称为“波特兰水泥”。

Asp丁在英国韦克菲尔德建立了第一家波特兰水泥厂。后来，他的儿子在英国格拉茨海德又建了一家工厂，在德国1856又建了一家工厂，在那里度过了晚年。

Asp丁父子对硅酸盐水泥的生产方法长期保密，采取了各种保密措施:在工厂周围筑起高墙，未经父亲允许，任何人不得入厂；工人不允许在工作岗位外行走；为了制造假象，常常将硫酸铜或其他粉末装在一个盘子里，在装入窑中时撒在干料上。

asp丁的专利证书中描述的硅酸盐水泥的制造方法与福斯特的英国水泥并无本质区别，煅烧温度是以材料中的碳酸气体完全挥发为前提的。根据水泥生产常识，在这个温度下制成的“硅酸盐水泥”质量不可能比“英国水泥”好。然而，“波特兰水泥”在市场上比“英国水泥”更有竞争力。1838改建泰晤士河隧道时，“波特兰水泥”的价格远高于“英国水泥”，但业主还是选择了“波特兰水泥”。很明显，asp丁出于保密原因，并没有将“硅酸盐水泥”生产技术全部写在专利证书上，他对水泥生产的了解实际上比专利证书上注明的要多。Asp丁在工厂生产中一定是采用了较高的煅烧温度，否则硬化后的水泥不会有波特兰的石头那样的颜色，其产品也不会有那么高的竞争力。

但根据专利证书所载内容和相关资料，asp丁未能掌握硅酸盐水泥的准确烧成温度和正确的原料配比，因此其工厂生产的产品质量非常不稳定，甚至有建筑因水泥质量问题而倒塌。

在英国，与asp丁同时期的另一位水泥研究天才是I.C.Johnson，他是英国天鹅谷怀特公司的经理，专门制造“罗马水泥”和“英国水泥”。1845期间，强生公司在实验中偶然发现，煅烧后含有一定量玻璃体的水泥熟料，粉磨后具有非常好的水硬性。此外，我们发现，如果烧结产品中含有石灰，水泥硬化后会开裂。根据这些意想不到的发现，强生公司确定了水泥制造的两个基本条件:一是窑的温度必须足够高，才能使烧结块含有一定量的玻璃，呈深绿色；第二是原料配比必须正确、固定，烧成品不能含有过量的石灰，水泥硬化后不能开裂。这些条件保证了硅酸盐水泥的质量，解决了asp丁灿无法解决的质量不稳定的问题。从此找到了现代水泥生产的基本参数。1909年，强生98岁时向英国政府投诉，称他在1845年制造的水泥是真正的“波特兰水泥”，而asp丁并没有制造出质量稳定的水泥，因此不能称为“波特兰水泥”的发明者。但英国政府并未同意强生的申诉，仍维持asp丁拥有波特兰水泥专利权的决定。英国和德国的同事高度评价约翰逊的工作，认为他为波特兰水泥的发明做出了不可磨灭的重要贡献。

21世纪人类历史上第一次工业革命发生在欧洲，推动了西方国家社会经济的快速发展，加速了建筑胶凝材料的发展。在“罗马砂浆”的基础上，1756年西方国家发现了水硬性石灰；1796发明了“罗马水泥”和类似的天然水泥；1822出现“英国水泥”；1824年，英国政府颁发了第一个“波特兰水泥”专利。波特兰水泥，一种当代的建筑颗粒，在西方慢慢诞生，同时踏上了不断完善的征程。