水泥为什么会吸水变软？一个研究了上百年的问题

水泥是现代社会最基础的一种建筑材料，无论是盖楼、修路还是架桥都离不开水泥。甚至可以说现代社会就是靠水泥支撑起来的。

但是有人想过没有，为什么本来极其松散的、由水泥粉末沙子石子混合成的混凝土（注意，水泥和混凝土不能混为一谈），和水搅拌变干后会变得和钢板一样硬？

这个问题看似简单，其实原理非常复杂。

关于这个问题，成百上千的科学家已经研究了上百年，在细节上至今仍有争议。但其基本过程已经形成了共识 。

就以现在世界上使用量最大的水泥——硅酸盐水泥为例。普通硅酸盐水泥由石灰石、粘土、铁矿粉按比例磨细混合，这种混合物叫生料。然后进行煅烧，一般温度在1450度左右，煅烧后的产物叫熟料。然后将熟料和石膏一起磨细，按比例混合，才称之为水泥。

普通硅酸盐水泥主要成分是硅酸三钙 、硅酸二钙 、铝酸三钙、铁铝酸四钙还有最后加入的石膏。（化学式分别是3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3 、4CaO·Al2O3 ·Fe2O3和CaSO4）

这些成分遇水发生的化学反应，简单点可以概括为：

硅酸三钙、硅酸二钙和水反应生成硅酸钙水合物凝胶和氢氧化钙（熟石灰）

铝酸三钙和水反应生成不稳定的水化铝酸钙胶体，

铝酸三钙和石膏、水反应生成钙矾石（三硫型水化铝酸钙），

钙矾石再和铝酸三钙、水反应生成单硫型水化铝酸钙，

铁铝酸四钙和水反应生成六水铝酸三钙（会再次和水反应）和水化铁酸钙凝胶。

总之，这些硅酸盐和铁酸盐遇到水会产生大量凝胶体和极其微小的结晶体，它们之间会产生类似吸附和钉钉子的相互作用。形象点说，它们就像是一群本来没刺的刺猬，从光滑的肉球中长出了刺，然后依靠这些“刺”互相紧紧扎在一起。只不过，这些刺猬只有几微米大，它们的刺更是只有几个纳米。所以，从宏观上看，就像是一块天衣无缝的坚硬岩石了。

分布在水泥外表面的熟石灰也会和空气中的二氧化碳结合产生坚硬的碳酸钙（石灰石），这层碳酸钙像盔甲一样包裹着水泥，使得水泥更加坚硬。

而且，由于一开始水泥并不会完全水化，即使表面看起来干透了，其实水泥仍在水化并一直进行下去，也就是说，水泥会越来越硬。