古代版的水泥穿越小说里不靠谱的发明之二

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中国古代建筑粘合剂主要是石灰,用高温煅烧石灰岩后所得。因为古代燃料价格较高,石灰的成本还是比较高的,于是穿越小说中经常出现穿越者制造水泥的桥段。但是在古代的物质条件下,即便是穿越者,也制备不出具有推广性质的现代水泥。

翻阅历史,在古罗马时代就有了水泥,但是那个水泥与现代水泥不是一个概念。古罗马水泥生成强度之慢,超乎你的想象,而且制备原料本身限制了他的推广。极细粉末状火山灰并没有我们想象的那么容易获得。

古罗马水泥建筑

古罗马水泥的成分很简单,主料就是生石灰加上火山灰,火山灰里含有硅酸盐,加上水后会形成熟石灰+硅酸盐,经过长时间的反应,形成水化硅酸钙,水化硅酸钙是水泥强度的主要来源。古代罗马水泥在使用上受到一定限制,不但强度低,而且强度也非常缓慢。原料受产地影响,推广困难。其最大优点就是耐久度高。

现代水泥在古代更不可能生产,现代水泥成分相对要复杂得多,首先要把石灰岩和黏土一起高温煅烧,需要的温度非常高,需要°以上的高温,而且需要保持温度到足够的时间,与简单的烧生石灰比,要困难得多,在古代的工艺条件下,很难做到。现代水泥遇水以后迅速反应,生成水化硅酸钙的速度很快,但是同时也产生副产品熟石灰,这个东西单用,也是很好的建筑粘合剂,但在水泥里却是个捣乱分子,会降低水泥的强度和稳定。

水泥熟料

高温煅烧,以硅酸钙为主的水泥原料,我们习惯上称他为熟料。主要成分是石灰石里的钙和黏土里的硅,在高温下形成的。

前边说的古罗马水泥,熟石灰是主料,与火山灰发生反应生成水化硅酸钙。现代水泥里的副产品里也有熟石灰,那么再加上类似火山灰的东西,不就可以像古罗马随你那样生成水化硅酸钙了吗?于是现代水泥在煅烧的主料基础上,再加入与火山灰成分相似的矿渣,这就制成了现代的硅酸盐水泥。

古罗马建筑

假如穿越到唐朝和宋朝。我们在那个时代的机基础上制造水泥,看看都有哪些难以克服的苦难。

第一;高温煅烧,只有在高温条件下,石灰岩里的钙才能和黏土里的硅形成硅酸钙,-°的温度,还要保持足够长的时间,在唐宋时期或可实现,但是也只能是烧一点试验品,想推广几乎是不可能的,即便是不计成本烧出了硅酸钙,下一步仍然有巨大苦难。

第二;原料关,石灰石和黏土容易得到,但是与火山灰相似的辅料却没那么容易,现代工业体系下,可以用发电厂的粉末灰,还有高炉生产的炉渣,这些都是工业副产品,废物利用,所以成本低、来源广泛。但是在古代,这些东西从何而来?

第三;即便是我们找到了类似材料,还有一个更难的关口等着呢,那就是研磨粉末技术,水泥成分中的所有组成部分,都必须是极细的粉末状态,现代工艺都是用大型的球磨机加风选来实现粉末化。熟料、辅料矿渣、生石膏都需要加工成极细的粉末,这个粉末的细度要求是微米级的,8微米筛上存留不超过10%。这个工程量不是一般的大。

粉末化原料的球磨机

第四;烘干,这个大家不难理解,水泥受潮会凝固成块,基本就废了,所以水泥中所有成分必须是绝对干燥的,要严格控制含水量,这个不是自然晾晒可以实现的。现代工艺是采用沸腾炉对辅料进行烘干。需要用高速鼓风机,使炉内的燃料在炉内上下翻腾,仿佛烧开的水,成沸腾状,燃料在悬空状态下燃烧,加热空气,然后用这些高温空气对原料进行烘干。

沸腾炉

高炉炼铁技术在唐代或宋代已经出现,或许可以解决一部分矿渣的问题,煅烧熟料不计成本或许可以烧得出来,但是原料粉末化和干燥技术,看似简单,但是确实最难实现的。所以即便是具有了现代人的知识,想在唐宋那样的条件下,无论如何也造不出现代水泥。




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