答：水泥是建築當中的膠凝材料，現代水泥的發明可以追溯到1756年，我們常見的水泥主要成分是矽酸鹽，矽酸鹽透過水化反應後會凝結和硬化，與沙石結合成牢固的混凝土結構，其餘還有鋁酸鹽水泥、硫酸鹽水泥等等。

水泥號稱“當代建築的糧食”，水泥加上地球表面隨處可見的沙石，再與水混合後，就能形成牢固的混凝土結構，可以說水泥是建築行業中最偉大的發明，對人類社會的發展有著重要意義，現代水泥的發明並不是一蹴而就的，其中經歷了很多次的改進。

在古時候，不同文明都發明瞭不同的建築膠凝材料，比如古埃及人使用煅燒石膏作為膠凝材料，古希臘人則使用石灰；後來羅馬人改進了古希臘人的方法，羅馬人先把石灰加水溶解，再與沙子混合成砂漿，有條件的地方還會加入磨細的火山灰製成羅馬泥漿，這樣修築的建築物更加牢固，使得很多羅馬建築物保留至今。

中國古代也發明了獨特的凝膠材料，比如中國長城的修建經歷20多個朝代，其中有一部分使用了石灰進行黏合，有的用黃泥漿，有的則用了糯米砂漿等等。

在南北朝時期（公元5世紀前後），華人發明了一種名為“三合土”的膠凝材料，由石灰、黏土和細砂組成，到了明朝有了石灰、陶粉和碎石組成的三合土，清朝又有了石灰、爐渣和沙子組成的三合土，三合土與羅馬泥漿很相似，凝固後都具有很高的強度和防水效能，非常適合建造古代大型建築物。

中國古代的建築工法在很長一段時間內領先於西方，其膠凝材料也是豐富多樣，甚至還會在膠凝材料中加入有機物（比如糯米湯、桐油、血料等等）改變其特性，但是在16世紀後，西方科學技術的發展，開始逐漸全面超越中國。

羅馬砂漿在西方應用了很長一段時間，雖然具有很好的強度和防水性，但是羅馬砂漿經不起海水的浸泡和沖刷；在18世紀，英國航海業領先全世界，在航海領域中，燈塔可以在很遠的地方引導船隻，但是當時的燈塔經常損壞，於是英國撥款給當時的工程師史密頓，讓他承擔建設燈塔的任務。

在1756年，史密頓研究石灰、火山灰和沙子對砂漿效能的影響，發現含有黏土的石灰石經過煅燒細磨之後，再加水形成的砂漿，在凝固後具有抵抗海水侵蝕的作用，開啟了現代水泥的研究之路，他還建造了著名的普利茅斯港大燈塔。

在1796年，英華人派克將黏土質石灰岩（泥灰岩）製成料球，在高溫下煅燒後再磨細，得到一種新的水泥，稱作羅馬水泥（又名天然水泥），並申請了專利。

1824年10月24日，英國泥水匠阿斯譜丁發明了一種全新的水泥並獲得專利——波特蘭水泥，也就是我們常見的矽酸鹽水泥，波特蘭水泥具有非常好的建築效能，被譽為當代建築的糧食，此後的水泥都是對波特蘭水泥的改進。

波特蘭水泥最初的製造方法：是把石灰石磨細，加入定量的黏土，摻水後攪拌均勻形成泥漿，然後再將泥漿置於盤上加熱，乾燥後敲碎再進行煅燒，待石灰石中的碳酸氣體全部逸出，然後冷卻、打碎和磨細，就成了矽酸鹽水泥。

水化反應是指溶質在水中溶解後，溶質分子和水分子結合成水合分子，比如無水硫酸銅變為五水硫酸銅：

CuSO4+5H2O==CuSO4·5H2O；

本質上硫酸銅分子和水分子並沒有在分子層面發生改變，但是五個水分子和一個硫酸銅分子，就能聚在一起形成相對穩定的結構。

一般的矽酸鹽水泥成分是矽酸鈣鹽，主要含有矽酸三鈣（3CaO·SiO2），矽酸二鈣（2CaO·SiO2），鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）、鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）等，這些物質都能與水發生水化反應：

水泥經過水化反應之後，就會凝固和硬化，與沙子一起形成堅硬的混凝土；另外，水化反應還受溫度、溼度、水量、新增物等等因素的影響，有的影響最終強度，有的影響凝固時間，在一些特殊的場合下，需要使用特定功能的水泥。

經過數百年的發展，水泥已經形成了一門相當專業的學科，人們針對不同的應用場合，發明了不同功能的水泥，比如有抗酸性的、抗海水侵蝕的、抗凍的、耐高溫的、速凝的、水下澆築的等等；另外，在水泥中加入不同的新增劑，也能很大程度上改變水泥的特性。

比如下面幾種情況：

（1）在抗洪搶險中使用速凝水泥，以及加入水泥速凝劑，凝固時間只有幾分鐘。

（2）水泥凝固過程中會釋放熱量，如果凝固太快，可能會導致混凝土內部存在形變，於是對於一些較大的澆築物，需要加入水泥緩凝劑來延長凝固時間。

（3）對於一些可能處於低溫的建築物，在水泥中加入防凍劑，來降低低溫對混凝土的影響。

（4）鋁酸鹽水泥一般具有較高的耐熱性，常在高溫建築物中使用。

……

相關資料顯示，在2018年全球水泥產量39.5億噸，中國的水泥產量22.1億噸，佔了全球產量的56%；而2018年中國水泥的進口量大約為1360萬噸，出口量大約為460萬噸，相比產量而言並不多，所以國內水泥生產量基本被國內消化了，這也是中國基建發展的體現。

一、水泥的發現

1824年，英國建築工人約瑟夫·阿斯譜丁（Joseph Aspdin）發明了水泥並取得了波特蘭水泥的專利權。他用石灰石和粘土為原料，按一定比例配合後，在類似於燒石灰的立窯內煅燒成熟料，再經磨細製成水泥。因水泥硬化後的顏色與英格蘭島上波特蘭地方用於建築的石頭相似，被命名為波特蘭水泥。它具有優良的建築效能，在水泥史上具有劃時代意義。

水泥

水泥分很多類，粗略的我們大致可為普通矽酸鹽水泥（P.O）、複合矽酸鹽水泥(P.C)和特殊水泥。

1、普通矽酸鹽水泥的主要成份

普通矽酸鹽bai水泥主要成分是石灰石、粘土、鐵礦粉。它是由石灰石、粘土、鐵礦粉按比例磨細混合，這時候的混合物叫生料。然後進行煅燒，一般溫度在1450度左右，煅燒後的產物叫熟料。然後將熟料和石膏一起磨細，按比例混合而成。

2、複合矽酸鹽水泥的主要成份

它是在普通矽酸鹽水泥裡按比例和一定的加工程式加入其他物質以達到特殊效果，如礦渣水泥、火山灰質矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥、複合矽酸鹽水泥等等。這些水泥的原料就比原來的普通矽酸鹽水泥要多一些活性混合材料或非活性混合材料。

3、特殊水泥

特殊水泥主要成分是石灰石及其他成分。只是在材料階段和製作工藝上有些不同，如高鋁水泥(鋁酸鹽水泥)的材料是鋁礬土、石灰石經過煅燒得到熟料，然後磨細成為鋁酸鹽水泥的。

水泥的原材料之一石子

水泥的結構從化學和物力兩個方面來分析

1、 化學成分

主要由CaO.SiO2 .Al2O3和Fe2O3組成，其含量總和通常都在95%以上。

2、礦物組成

熟料中CaO.SiO2. Al2O3和Fe2O3不是以單獨的氧化物存在的，而是兩種或兩種以上的氧化物經高溫化學反應生成的多種礦物的集合體，主要有：

矽酸三鈣3CaO.SiO2 矽酸二鈣 2CaO.SiO2

鋁酸三鈣 3CaO. Al2O3

鐵鋁酸四鈣 4CaO.Al2O3.Fe2O3

通常熟料中矽酸三鈣和矽酸二鈣含量約佔75%左右，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的理論含量約佔22%左右。

水泥熟料的分子結構

當然，水泥作為現在建築運用最多的材料，是近代最偉大的發現之一，其形成和製作都非常複雜，這裡只是粗略的進行總結。

回答這個問題前，你先要搞懂一個基本的概念：

水化反應。

它是指溶質分子（或離子）和水分子發生作用，形成水合分子（或水合離子）的過程。

有點懵，讓我們舉個栗子;

CuSO4+5H2O=CuSO4·5H2O.

上邊這化學方程式，是將無水的硫酸銅與水混合後發生反應的過程，最後兩者反應形成了一種比較好玩的東西：五水硫酸銅。你很難說，這是一種物質，因為它實際上是兩種物質的分子結構並沒有變化，硫酸銅還是硫酸銅，水還是水。但奇怪的是，硫酸銅分子卻和5個水分子緊緊地“抱”在一起，很難分開。

這種反應就是一個典型的水化反應。

水泥和水的結合過程，與此類似。

普通矽酸鹽水泥熟料主要是由矽酸三鈣（3CaO·SiO2）、矽酸二鈣（β-2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）四種礦物組成的，它們可以透過燒製石灰石和其它礦物而獲得。這四種礦物遇水均會發生水化反應。當然，它們的水化凝固時間不同，所以，為了減緩凝固速度，還會加速二水石膏等物質。

當水泥和水混合之後，兩者間的水化反應就開始了，它會慢慢的凝固，此時，即便你把這坨混合物再投進水裡，這個水化反應還會繼續，外部的水已經基本上摻和不進去。正是這一特性，讓水泥在建築中發揮了不可代替的作用。

（答案補充：其實單就水而言，裡邊的水分子分佈也是不均勻的，水分子也會因為化學鍵的作用，彼此抱在一起。所以，如果你能看得到水中的水分子，它也是如水化反應一樣，一團團抱在一起的。）

應大家要求，補上水泥的發現史：

水泥是怎麼被發現的？水泥的原材料是什麼？結構是怎樣的？

好傢伙，夠實在的啊，這是集3個問題於一身，需要分三段進行回答，但在回答之前需要調整一下題中三個問題的順序，畢竟水泥之所以被發現還是與原材料的特性以及其結果有著直接關係。

1、水泥的原材料是什麼

我老家鎮上就有一箇中型水泥廠，是一個浙江老闆投資興辦的，年產水泥不低於30萬噸，記得讀初中的時候每次從廠區前經過，都能聞到刺鼻的硫化味道，而且附近路面、屋頂以及樹葉上都是一層灰塵，樹葉基本上發白或發黃，近些年來隨著環保力度的加強和電收塵、降噪等技術的提高，各類汙染物的排放相對均有大幅的減少。

水泥的全稱為普通矽酸鹽水泥，它是將生料（主要有石灰石、砂岩、酸鹽礦物鐵粉等物質）按照一定的比例磨細混合，經過1450度的高溫煅燒成熟料後，加入一定量的石膏再一次混合磨細，這才是我們日常所見的水泥。

由此可見，水泥的原材料是隨著加工工序的不同而不同的，先後經過了由“生料”到“熟料”的物理形態的轉變（高溫過程中伴隨著少量的化學變化），即混合打磨、高溫煅燒、混合打磨。目前比較有名的水泥品牌有海螺、華新、紅獅、天瑞等。

2、水泥的結構

說水泥的結果其實不太準確，改成水泥石（硬化後的水泥漿體）的結果要好理解的多。水泥石的結構是由凝膠體、晶體、水、毛細孔隙、未水化水泥顆粒組成，其強度得益於水泥與水反應生成C-S-H和C-H凝膠，水泥石的強度和耐久性(即工程性質)決定於水泥石的結構組成，一般來講水泥石結構中水化物愈多，其結構就越密實，無論是強度還是耐久性都很好。

這裡有一個例子，以前在建築工地上混過暑期工，建築外牆貼瓷磚經常要浸泡“肉灰”，即直接在桶中浸泡未摻雜其他物料的純水泥，而有時候收隊了忘記清理灰桶，第二天上工後發現已經成了硬邦邦的一坨。

3、水泥是怎麼被發現的

在歷史上，由於科技水平底下，人們居住的房屋主要靠木頭或較大的石塊、土磚等直接搭建，然後利用黃土（皇家宮殿甚至用糯米）等作為粘合劑進行固定，只需要做好防水就能很牢固，而且房屋普遍不高，穩定性較好。

後來隨著人類社會的進步和近代以來城鎮化水平的提高，對房屋的安全性以及樓層高度等要求越來越高，而隨著熟石灰、水泥等的相繼出現，特別是鋼筋混泥土建築物、道路等的出現不斷改變著人們的生活。

水泥這種特殊物質自出現到現在大約有263年的歷史，1756年英國工程師J.斯米頓在研究某些石灰在水中硬化的特性時總結出了要獲得水硬性石灰，就必須要用含有粘土的石灰石來燒製，他的這一理論也為近代水泥的研製和發展奠定了理論基礎。

在後來的一百多年的時間裡，先後有不同國家的工程師、科學家在水泥的研製過程中取得了很大的進步，無論是在水泥的配方（材料配比）、鍛造裝置等方面一系列長足的進步。到了20世紀末，世界各地的水泥品種已達100餘種，年產量達幾十億噸，而中國就佔了近一半。

21世紀以來，隨著生態環境保護力度的加強和節能減排工作的開展，像燒製紅磚、水泥廠、電鍍廠等這樣高耗能、高汙染的企業也被劃入了整改物件，紅磚廠已被取消，而其他不合規企業也陸續關停或搬遷，有效促進了生態環境的改善。

提到水泥的歷史這個事情，我決定玩大一點，從古埃及的金字塔說起。

金字塔到底是如何建造的，一直到今天，在學界都仍有巨大的爭論。但是，古埃及的金字塔中，毫無疑問就使用到了“天然水泥”。

在埃及古王國前期，埃及金字塔主體建築材料為泥磚（類似混泥土）。而古王國第3王朝一直到古王國終結時期建造的金字塔，主體建築材料為石料。無論是泥磚還是石料，都離不開“水泥”——黏合劑。

在金字塔的建設中，我們能夠看到大量天然水泥的影子，金字塔內壁甚至還有石膏塗抹的痕跡。當然，這時候的水泥不是作為建築主體材料使用，而是作為黏合劑來使用，和今天我們印象中的水泥混泥土建築是有極大的不同。

研究表明，充當天然水泥核心科技成分的就是——薯類澱粉。

所以說金字塔由混泥土澆灌而成是謠言，但使用了大量的“天然水泥”技術，確是事實。

順帶提一句，中國古長城或者大城市城牆的修建之時，我們也用到類似早期的粘合劑，不過我們使用的是更優質也更貼合實際的——糯米漿+石灰。

到了羅馬的時期，已經有很完整的“水泥工業”了。當然，他們的配方和今天普遍使用的水泥有巨大的不同之處，不過就成分而言，已經相當接近了。

他們當時的配方根據記載，大概是一份石灰，一份火山灰，三份沙子；同時為了增加水泥的粘合度，還會在混合物中，加入一些動物的脂肪或者血漿之類的新增劑。在此項當時的黑科技的加持之下，古羅馬的建築取得了輝煌的成就，直到今天仍舊算得上是一種奇蹟般的存在。

不過，這項技術並沒有得到很好地傳承，由於原材料的稀缺以及過度的開採，這個產業很快從源頭就開始枯竭，在中世紀很長一段歷史時間裡面，羅馬人都無法重現昔日的建築歷史輝煌。

不掌握核心原理，上面古人的智慧很多都不能逃脫曇花一現的命運，水泥的真正成型，還得繼續等待人類科技的進步來推動。

一直到1756年，英國工程師J.斯米頓發現並且把水化反應作為一個專案來研究，他發現了某些石灰在水中硬化特性的原理，並且得出水硬性石灰最理想的成分配比。由此才真正使得水泥的研製和發展，真正奠定了理論基礎。

1779年，英國化學家布萊恩希金斯取得了用以外牆抹灰的水硬水泥專利，這是水泥混凝土歷史上的第一個專利。布萊恩還重新改良了石灰質水泥的合成工藝，真正的水泥工業發展時代正式到來。

1824年，英國建築工人約瑟夫·阿斯譜丁發明了現代意義的水泥——波特蘭水泥，並且取得了專利權。目前世界上使用的所有水泥，都是在此基礎上進行改良而成。他用石灰石和粘土為原料，按一定比例配合後，在類似於燒石灰的立窯內煅燒成熟料，再經磨細製成水泥。這也是目前廣泛使用的水泥。

從天然水泥，到目前廣泛使用的矽酸鹽水泥，見證了人類建築科技的進步。

但是，回過頭來，金字塔的建造之謎，到今天也無法徹底解開，也的確是一件令人頭疼的事情。

水泥的發明

其實關於現代水泥的發明，還有一則趣事。1756年，英國海峽群島上的一座燈塔突然失火燒燬， 政府命令工程師史密頓以最快的速度建好。 2周後，石灰石運到了燈塔所在的小島上。 史密頓 卻見石灰石中混有許多雜質，很不滿意，但時間緊迫，也只能將就了。沒有想到的是，用這種混有 雜質的石灰石燒出來的石灰，效能卻好得出奇，將石灰黏結得從來沒有過的結實。 史密頓想:這 石灰石中肯定有名堂。於是，他馬上檢驗了這些石灰，發現其中竟含有20%的黏土。史密頓有 意將黏土和石灰石按一定比例燒煉，燒出來的“石灰”效能果然十分理想。 水泥就此誕生。

水泥生產傳播

不 久，水泥傳遍了歐洲，傳遍了世界。現代建築離不開水泥，不僅如此，現代公路、橋樑、水利工程 等許多領域，水泥也是主角。因此，人們稱水泥是建築的“糧食”，可見水泥在建築中的地位。

水泥的組成和分類

1.根據生產的原料性質分為天然水泥、有熟料水泥（用石灰石和粘土按所需成分配合，在較高溫度下煅燒得到的產物稱為熟料）和無熟料水泥（利用粉煤灰、高爐礦渣等工業廢料或天然火山灰與石灰、水玻璃等鹼性激發劑以及石膏按比例磨細,不經煅燒而製得的水泥）。

2.根據水泥的效能,可分為快硬水泥(早強水泥)、低熱水泥、膨脹水泥、耐酸水泥、耐火水泥等。

3.根據用途，可分為油井水泥、大壩水泥、噴射水泥、海工水泥等。

4.根據水泥中主要化學成分，分為矽酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥(高鋁水泥)、磷酸鹽水泥等，後者應用較少。雖然水泥的品種繁多，但95％以上屬矽酸鹽水泥類，只是根據工程的要求改變其中化學組成，或在使用時加入某些調節效能的物質而已。 矽酸鹽水泥 一類以高鹼性矽酸鹽為主要化合物的水硬性水泥的總稱（在西方國家通稱波特蘭水泥）。它是將鈣質（石灰石等）和鋁矽酸質（粘土等）原料按一定比例混合,磨細後在水泥窯內經高溫（約1720K）煅燒，得到水泥熟料，再與適量的石膏共同研磨至一定細度而製得的。

火山噴發後，會產生很多的火山灰，這些火山灰與水接觸後會凝結，有良好的強度與防水性。火山灰就是最早的水泥。1756年，英國工程師J.斯米頓在研究某些石灰在水中硬化時發現，最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成，這是最早的水泥理論。1813年，法國的土木技師畢加發現了石灰和粘土按三比一混合製成的水泥效能最好。1824年，英國建築工人約瑟夫·阿斯譜丁發明了水泥並取得了波特蘭水泥的專利權。他用石灰石和粘土為原料，按一定比例配合後，在類似於燒石灰的立窯內煅燒成熟料，再經磨細製成水泥。

石灰石和粘土是矽酸鹽類水泥的主要生產原料，主要化學成份為氧化鈣CaO，二氧化矽SiO2，三氧化二鐵Fe2O3，三氧化二鋁Al2O3。生產水泥主要有兩種方法，也是溼式和乾式；煅燒熟料的裝置主要有立窯和迴轉窯兩類，立窯適用於生產規模較小的工廠，大、中型廠宜採用迴轉窯。標準水泥比重為3.1，容重通常採用1300公斤/立方米，按強度等級分為32.5、42.5、52.5、62.5四個等級。32.5級水泥主要用於低強度的水泥類穩定料，高強度混凝土則用52.5級水泥，62.5級水泥用於超高強度的混凝土，42.5級水泥目前應用最廣泛。生產與檢驗水泥的標準為《通用矽酸鹽水泥》(GB 175-2007 )。

水泥不可長期儲存，通常出廠一個月內就要用掉，出廠三個月不用就要降級使用，出廠六個月不用，則必須報廢，不可用於工程建築上。水泥與水混合後會產生一系列的化學反應，在化學反應過程中會釋放大量的熱量，而且這種化學反應持續時間較長。對於大體積混凝土，必須採用低熱量的水泥，以減少水化熱的產生；通常大體積混凝土會用粉煤灰代替一部分水利，以減少水化熱。混凝土重力壩還會在混凝土內部安裝冷水管，透過迴圈冷水的方式降低混凝土內部溫度。大體積混凝土容易產生裂縫，主要原因就是混凝土內外溫差大，溫度應力導致混凝土裂縫的。

水泥混凝土的抗壓強度高，但是抗拉強度低，因此混凝土結構裡通常要加一些鋼筋來增加混凝土的強拉強度。梁、板結構承受的拉應力較大，因此梁與板裡都設定有鋼筋；柱子主要受壓，但是柱子過長的話，會受偏心拉力，因此柱子裡也會配置鋼筋。橋樑的主樑結構還會給鋼筋施加預應力，這部分力就是用來抵抗梁產生的拉應力的。鋼筋混凝土出現裂縫，通常都是拉應力產生的，一旦產生了裂縫，就需要採用內部灌漿、外部加固的方式來保證結構安全。對於水下部分混凝土，還有專門的抗腐蝕水泥，也就是高抗硫水泥；為了增加混凝土的抗滲、抗凍能力，還會在混凝土中新增引氣劑、減水劑等摻合料。

水泥的原材料：

水泥由石灰石、粘土、鐵礦粉按比例磨細混合，這時候的混合物叫生料。

然後進行煅燒，一般溫度在1450度左右，煅燒後的產物叫熟料。然後將熟料和石膏一起磨細，按比例混合，才稱之為水泥。這時候的水泥叫普通矽酸鹽水泥。 水泥一般分普通矽酸鹽水泥、摻混合材料的矽酸鹽水泥和特殊水泥。

摻混合材料的矽酸鹽水泥是在普通矽酸鹽水泥裡按比例和一定的加工程式加入其他物質以達到特殊效果，如礦渣水泥、火山灰質矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥、複合矽酸鹽水泥等等。這些水泥的原料就比原來的普通矽酸鹽水泥要多一些活性混合材料或非活性混合材料。

水泥是怎麼被發現的：

1756年，英國工程師J.斯米頓在研究某些石灰在水中硬化的特性時發現：要獲得水硬性石灰，必須採用含有粘土的石灰石來燒製；用於水下建築的砌築砂漿，最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。這個重要的發現為近代水泥的研製和發展奠定了理論基礎。

1796年，英華人J.帕克用泥灰岩燒製出了一種水泥，外觀呈棕色，很像古羅馬時代的石灰和火山灰混合物，命名為羅馬水泥。因為它是採用天然泥灰岩作原料，不經配料直接燒製而成的，故又名天然水泥。具有良好的水硬性和快凝特性，特別適用於與水接觸的工程。

1813年，法國的土木技師畢加發現了石灰和粘土按三比一混合製成的水泥效能最好。 1824年，英國建築工人約瑟夫·阿斯譜丁（Joseph Aspdin）發明了水泥並取得了波特蘭水泥的專利權。他用石灰石和粘土為原料，按一定比例配合後，在類似於燒石灰的立窯內煅燒成熟料，再經磨細製成水泥。

因水泥硬化後的顏色與英格蘭島上波特蘭地方用於建築的石頭相似，被命名為波特蘭水泥。它具有優良的建築效能，在水泥史上具有劃時代意義。 1907年，法國比埃利用鋁礦石的鐵礬土代替粘土，混合石灰岩燒製成了水泥。由於這種水泥含有大量的氧化鋁，所以叫做“礬土水泥”。