一塊兒普通的混凝土闆，可以在澆築後的很短的時間内凝固，然後在養護的過程中，逐漸獲得足以承重數噸的強度，一旦成型，即使澆水或淋雨也依然可以保持堅硬；混凝土的固化究竟有什麼特殊的地方，為什麼在遇水之後，混凝土不會像泡方便面一樣，再次變軟？

常見的混凝土，是一種水泥與水，還有砂子和石塊等所形成的混合物。它的凝固和硬化，以及其強度随着時間的增長，與一般的物體由濕潤變為幹燥的過程是完全不一樣的。

舉個例子，一塊兒方便面的面餅，實際上是一副被脫去了大部分的水分的 “面條骨架”。一旦重新遇水，幹面餅上的細小的孔洞和縫隙就會再次被填滿，面條便可以恢複到最初的 “血肉豐滿” 的狀态；不過，澆築的混凝土中的水分，絕大部分不會蒸發掉，而是會與水泥結合，形成水合物，自動補全水泥中的微粒之間空隙。也就是說，混凝土固化變硬的本質，實際上并不是一個風幹或者脫水的過程，而是水泥與水所發生的 “水合作用”（hydration）。

作為混凝土中的主要膠凝材料，最為常見和通用的水泥是 “波特蘭水泥”（portland cement），一種含有煅燒過的石灰和黏土，并且混合了石膏的矽酸鹽材料。在拌合以前，幹燥的水泥需要防水和防潮，因為當水泥遇水之後，其中的一些物質便會立即與水結合，使混凝土變硬。我們經常在路上見到向建築工地運送混凝土的攪拌車，它們後部的滾筒始終都在轉動，這是為了防止裡面的已經摻了水的混凝土中的水泥微粒相互粘合，以便在到達目的地之前，盡可能地拖延混凝土硬化的時間。

在水化反應當中，最為關鍵的産品是鈣的矽酸鹽（矽酸三鈣和矽酸二鈣）與水結合所形成的 “水化矽酸鈣”（calcium silicate hydrate，一般簡稱為：C-S-H）。這是一種直徑小于或等于 0.1 微米的細小晶體，也是一般的混凝土中最主要的水合産物；除此之外，水泥中的其它物質，比如鋁酸三鈣，也會先後與水和硫酸鹽作用，形成杆狀的鈣鋁矽酸鹽晶體。

波特蘭水泥水化物，左邊的物體為水化矽酸鈣（C-S-H）

混凝土也許可以在一天之内凝固，但是在它的内部，水泥的硬化過程可以持續很長的時間，不斷産生新的水合物，并提高混凝土的結構強度。然而，即使有足量的水和水泥，水合作用也總有停止的一刻，不可能永遠進行下去。這是因為，水合反應最初是發生在水泥微粒的外層的，水合物會逐漸地包裹住這些顆粒，最終，當外層的水合産物的密度大到無法使水分穿透，去與中心的水泥發生反應時，水合作用就無法再進行下去了。這一刻，在理論上，混凝土也就達到了它的極限強度，還有最低滲透性。正常情況下，一般的混凝土都會在拌合并硬化後的第 28 天左右達到大約 99% 以上的抗壓強度，而 “28天” 也普遍被視為混凝土抗壓強度的測量标準。

水泥與水的結合，是一種放熱的化學反應，因此水合作用的進程，可以用水泥放熱的效率與時間的關系來表示。可以發現，開始遇水之後，水泥在一段較短的時間内的放熱率很高，然而随後卻有明顯的減少，這正是因為形成于水泥微粒外層的水合物阻止了更多的水分的滲透。在這一小段 “休眠期” 中，水合作用的速率很慢，使得人們可以有機會将拌合好的水泥運送至建築工地，并在其硬化之前澆築和塑形。

如果去參觀建築工地，我們可能會看到建築工人們在塑形混凝土的時候，使用連接着電機的震動裝置來使混凝土保持流動性。這麼做減少了混凝土中的各種材料之間的摩擦力，不僅便于塑形，也是為了排除氣泡。當水化反應産生熱量的速率第二次擡升的時候，混凝土的固化過程才真正開始。

很多的外部因素可以影響到混凝土的凝固，尤其是溫度。在較為溫暖的環境下，水合作用的速率也較快，混凝土固化所用的時間會較短，随後，強度逐漸增加的速度也會更快。比如，在 30℃ 與 20℃ 下相比，水化反應的速率相差近一倍。這也是冬季施工比其它季節更加困難的原因之一。如果環境溫度很低的話，除了防凍之外，還須要想辦法讓混凝土長時間保持它應有的外形，因為即使向混凝土中加入了可以提高水合反應的速率的添加劑，凝固的過程可能依然會十分漫長。

另外，在雨季中澆築混凝土也有一定的風險。雖然純淨水對已經成型了的混凝土幾乎沒有危害，但是如果在固化之前，特别是塑形的時候下雨了的話，混凝土必須要加以掩蓋，否則至少成品的表面的質量會受到影響。這是因為，在固化期間，保持混凝土中的水與水泥的比例（水灰比）非常重要，它左右着日後的強度的發展。雨後，如果在沒有固化的混凝土的表面的積水完全蒸發掉的情況下繼續塑形的話，多餘的水分就會被混合進去，讓水與水泥的比例變大，使凝固後的混凝土的最終強度降低。

有時候，還可以發現，沒有完全固化的混凝土的表面會 “滲” 出水來，這種現象叫作 “泌水”（bleeding），是由混凝土中的物質在沉降的過程中，無法參與水合作用的水分上浮到表面上所引起的。如果不等這些水蒸發，就繼續對混凝土進行塑形的話，危害與上面提到的将雨水混入混凝土的表面是基本相同的。減水劑一般可以減少拌合用的水量，雖然可能會加速離析，但是可以防止泌水過多。還有，如果水分蒸發的速率比泌水更快的話，那麼成型後的混凝土就有可能會由于收縮而産生裂縫。

此外，在混凝土的施工中，還有一個十分重要的步驟，叫作 “養護”（curing）。從剛剛澆築，直到完全凝固，混凝土都需要在一段時間之内保持濕潤，可以使用各種各樣的方式，比如噴霧和覆蓋保護膜來達到這個目的。這個過程是為了防止混凝土因表面的水分蒸發地過快，而導緻的硬化後的開裂，并且優化随後的強度随着時間的發展。

概括地說，混凝土的凝固，其實是一種叫作 “水合作用” 的化學反應。或者說，是一個水泥與水結合，将混凝土中的所有物質粘合在一起的過程。由于内部的水分并沒有離開，而是成為了混凝土自身的一部分，使其強度和不滲透性反而有所提高，因此成型的混凝土在淋雨之後，并不會像浸水的方便面那樣，變得潮濕和柔軟，而是會随着時間的流逝，越來越堅硬。

正是由于水化反應的種種有趣的特性，才使得混凝土的應用如此得長久和廣泛。從古羅馬的萬神殿，到現代的三峽大壩，這種可以自由塑形，塑形後還可以迅速硬化，并獲得可觀的承重能力的奇妙的建築材料，注定還有無窮的潛力值得開發。

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