混凝土的神奇之处——遇水不会变软

混凝土的神奇之处——遇水不会变软

一块儿普通的混凝土板，可以在浇筑后的很短的时间内凝固，然后在养护的过程中，逐渐获得足以承重数吨的强度，一旦成型，即使浇水或淋雨也依然可以保持坚硬；混凝土的固化究竟有什么特殊的地方，为什么在遇水之后，混凝土不会像泡方便面一样，再次变软？

常见的混凝土，是一种水泥与水，还有砂子和石块等所形成的混合物。它的凝固和硬化，以及其强度随着时间的增长，与一般的物体由湿润变为干燥的过程是完全不一样的。

举个例子，一块儿方便面的面饼，实际上是一副被脱去了大部分的水分的 “面条骨架”。一旦重新遇水，干面饼上的细小的孔洞和缝隙就会再次被填满，面条便可以恢复到最初的“血肉丰满”的状态；不过，浇筑的混凝土中的水分，绝大部分不会蒸发掉，而是会与水泥结合，形成水合物，自动补全水泥中的微粒之间空隙。也就是说，混凝土固化变硬的本质，实际上并不是一个风干或者脱水的过程，而是水泥与水所发生的“水合作用”（hydration）。

作为混凝土中的主要胶凝材料，最为常见和通用的水泥是 “波特兰水泥”（portlandcement），一种含有煅烧过的石灰和黏土，并且混合了石膏的硅酸盐材料。在拌合以前，干燥的水泥需要防水和防潮，因为当水泥遇水之后，其中的一些物质便会立即与水结合，使混凝土变硬。我们经常在路上见到向建筑工地运送混凝土的搅拌车，它们后部的滚筒始终都在转动，这是为了防止里面的已经掺了水的混凝土中的水泥微粒相互粘合，以便在到达目的地之前，尽可能地拖延混凝土硬化的时间。

在水化反应当中，最为关键的产品是钙的硅酸盐（硅酸三钙和硅酸二钙）与水结合所形成的 “水化硅酸钙”（calcium silicate hydrate，一般简称为：C-S-H）。这是一种直径小于或等于 0.1 微米的细小晶体，也是一般的混凝土中最主要的水合产物；除此之外，水泥中的其它物质，比如铝酸三钙，也会先后与水和硫酸盐作用，形成杆状的钙铝硅酸盐晶体。

混凝土也许可以在一天之内凝固，但是在它的内部，水泥的硬化过程可以持续很长的时间，不断产生新的水合物，并提高混凝土的结构强度。然而，即使有足量的水和水泥，水合作用也总有停止的一刻，不可能永远进行下去。这是因为，水合反应最初是发生在水泥微粒的外层的，水合物会逐渐地包裹住这些颗粒，最终，当外层的水合产物的密度大到无法使水分穿透，去与中心的水泥发生反应时，水合作用就无法再进行下去了。这一刻，在理论上，混凝土也就达到了它的极限强度，还有最低渗透性。正常情况下，一般的混凝土都会在拌合并硬化后的第 28 天左右达到大约 99% 以上的抗压强度，而 “28天” 也普遍被视为混凝土抗压强度的测量标准。

水泥与水的结合，是一种放热的化学反应，因此水合作用的进程，可以用水泥放热的效率与时间的关系来表示。可以发现，开始遇水之后，水泥在一段较短的时间内的放热率很高，然而随后却有明显的减少，这正是因为形成于水泥微粒外层的水合物阻止了更多的水分的渗透。在这一小段“休眠期”中，水合作用的速率很慢，使得人们可以有机会将拌合好的水泥运送至建筑工地，并在其硬化之前浇筑和塑形。

如果去参观建筑工地，我们可能会看到建筑工人们在塑形混凝土的时候，使用连接着电机的震动装置来使混凝土保持流动性。这么做减少了混凝土中的各种材料之间的摩擦力，不仅便于塑形，也是为了排除气泡。当水化反应产生热量的速率第二次抬升的时候，混凝土的固化过程才真正开始。

很多的外部因素可以影响到混凝土的凝固，尤其是温度。在较为温暖的环境下，水合作用的速率也较快，混凝土固化所用的时间会较短，随后，强度逐渐增加的速度也会更快。比如，在 30℃ 与 20℃ 下相比，水化反应的速率相差近一倍。这也是冬季施工比其它季节更加困难的原因之一。如果环境温度很低的话，除了防冻之外，还须要想办法让混凝土长时间保持它应有的外形，因为即使向混凝土中加入了可以提高水合反应的速率的添加剂，凝固的过程可能依然会十分漫长。

另外，在雨季中浇筑混凝土也有一定的风险。虽然纯净水对已经成型了的混凝土几乎没有危害，但是如果在固化之前，特别是塑形的时候下雨了的话，混凝土必须要加以掩盖，否则至少成品的表面的质量会受到影响。这是因为，在固化期间，保持混凝土中的水与水泥的比例（水灰比）非常重要，它左右着日后的强度的发展。雨后，如果在没有固化的混凝土的表面的积水完全蒸发掉的情况下继续塑形的话，多余的水分就会被混合进去，让水与水泥的比例变大，使凝固后的混凝土的最终强度降低。

有时候，还可以发现，没有完全固化的混凝土的表面会 “渗” 出水来，这种现象叫作 “泌水”（bleeding），是由混凝土中的物质在沉降的过程中，无法参与水合作用的水分上浮到表面上所引起的。如果不等这些水蒸发，就继续对混凝土进行塑形的话，危害与上面提到的将雨水混入混凝土的表面是基本相同的。减水剂一般可以减少拌合用的水量，虽然可能会加速离析，但是可以防止泌水过多。还有，如果水分蒸发的速率比泌水更快的话，那么成型后的混凝土就有可能会由于收缩而产生裂缝。

此外，在混凝土的施工中，还有一个十分重要的步骤，叫作 “养护”（curing）。从刚刚浇筑，直到完全凝固，混凝土都需要在一段时间之内保持湿润，可以使用各种各样的方式，比如喷雾和覆盖保护膜来达到这个目的。这个过程是为了防止混凝土因表面的水分蒸发地过快，而导致的硬化后的开裂，并且优化随后的强度随着时间的发展。

概括地说，混凝土的凝固，其实是一种叫作 “水合作用” 的化学反应。或者说，是一个水泥与水结合，将混凝土中的所有物质粘合在一起的过程。由于内部的水分并没有离开，而是成为了混凝土自身的一部分，使其强度和不渗透性反而有所提高，因此成型的混凝土在淋雨之后，并不会像浸水的方便面那样，变得潮湿和柔软，而是会随着时间的流逝，越来越坚硬。

正是由于水化反应的种种有趣的特性，才使得混凝土的应用如此得长久和广泛。从古罗马的万神殿，到现代的三峡大坝，这种可以自由塑形，塑形后还可以迅速硬化，并获得可观的承重能力的奇妙的建筑材料，注定还有无穷的潜力值得开发。