主题：【原创】石灰和水泥 -- 燕人

石灰

石灰和水泥在建筑功能上可归类为粘结剂，英文写作binder，即把砖石等粘合在一起的产品。石灰的历史较为久远，制备和使用相对容易。目前在欧洲保存下来的古建筑中，大多数是以石灰作为建筑粘结剂。现代水泥的生产和使用远较石灰复杂。

首先我们需要理解的是，语言有演化的过程。一个词汇在古代被发明后，其所指的对象可能会随时间变化。石灰lime是最古老的建筑用粘结剂，是天然石灰岩limestone煅烧后的结果，这在英文和中文中都是一致的。现在lime在英文语境中涵盖的范围比中文的石灰要广泛。中文石灰指向两种物质：生石灰和熟石灰。英文lime可以指向许多以金属钙calcium的化合物为基本成分的物质，包括两种中文意义上的石灰。

石灰岩limestone在地质上划分属于沉积岩。石灰岩部分来自远古时期海生生物的骨骼和壳类沉积。我有一块葡萄牙产moca crème 的样品，是葡萄牙的一种名产limestone。上面就有一只小小的贝壳遗迹。石灰岩的主要化学成分为碳酸钙。在高温下石灰岩的碳酸钙成分被分解为氧化钙和二氧化碳。二氧化碳飞逸于空气中，剩下的白色物质我国称作生石灰，英文叫作quick lime或者burnt lime，其主要成分就是氧化钙。英文把从石灰岩灼烧得到石灰的过程叫做煅烧calcination,这个词的词根就是金属钙calcium。天然石灰岩lime stone除我国所常见的青石外，有许多具有不同的颜色和纹理，其出色者常常被采用作为装饰材料，如上面提到的moca crème 。更令人惊异的是，在一定的地球物理环境中，石灰岩lime stone会变形成具有美丽纹路的大理石。这是由于天然石灰岩的成分除碳酸钙外，经常会有其他化学物质以或多或少的比例参杂共存，从而导致石灰岩不同的外观。所以煅烧石灰岩后，不会得到100%的氧化钙。我国古文献中的纪录可以为这个事实作出例证：

风中自解者，应该是从纯度较高的碳酸钙石灰岩所煅烧得来。因此古人从使用效果上说"此为有力"。石灰岩中的其他成分大有奥妙，下面慢慢说道。

青石即是我国所出产的一种较常见的石灰岩。有趣的是，它不仅可以用来烧石灰，还可以用来制作一种青石水，是陕西地区传统方法制作拉面的原料。其方法是将烧红的青石掷于清水中。待水冷却澄清后即可使用。此法被记载于1980年代中国财经出版社出版的中国小吃陕西专集中。

这个做法当然是我国劳动人民的实践智慧的结晶，虽然他们不能用现代化学来解释其中的道理。从化学反应本质来说，这就是生产另外一种石灰产品熟石灰的粗略版本。熟石灰的化学名字是氢氧化钙。我们在化学中学到，生石灰与水混合发生化学反应，其结果就是熟石灰。烧红的青石表面生成氧化钙即生石灰，投入水中后形成氢氧化钙即熟石灰，青石水就是熟石灰的水溶液。熟石灰在水中的溶解度不高，其水溶液lime water呈弱碱性。在我国南方的湖广地区人们喜爱用碱水和面以获得面条独特的口感，这与青石水和面的作用机理是一致的。当然此碱非彼碱，不过化学性质相近。在饱和的石灰水溶液中继续加入熟石灰，搅匀后会形成白色乳状的悬浮液。英文名字叫做milk of lime石灰奶剂。英国历史上曾有一段时期，医生用这种milk治疗消化不良及其他胃病症状。不过这个做法早已经被同是氢氧化物但碱性更弱的镁奶剂milk of magnesium 代替了。

生石灰与水结合成熟石灰，同时发出大量热。化学术语称这个过程为水合反应hydration。所以熟石灰的英文名字叫做hydrated lime。 英文的熟石灰还有另外一个传统名字slaked lime。这个名字与我国的叫法熟石灰有异曲同工之妙，都应该来自于前人对生石灰与水结合大量放热的观察。熟石灰的标准反应热是647千焦，远足以将1公斤水烧沸。按照我国民以食为天的传统，熟石灰可以理解为被水煮熟的石灰。英文slake原意为因渴甚而大量饮水。Slaked lime直译就是被大量灌水的石灰。生石灰与水混合后，水发生沸腾现象，英人把它形象化，可不就是要以水止沸的样子？

在初等化学教科书里，石灰水lime water常被用来证明二氧化碳的存在，因为二氧化碳能够与氢氧化钙结合生成不溶于水的碳酸钙，使澄清的石灰水变混浊。同样原因，不管是生石灰还是熟石灰，与空气接触后都会逐渐变硬（硬化）。其化学反应的本质是空气中的二氧化碳与氧化钙或者氢氧化钙反应生成具有一定硬度的碳酸钙。这一原理奠定了石灰作为建筑凝结剂的基本地位。在人类干预下，从自然界的石灰岩回到人工的碳酸钙，形成一个循环，英文称之为lime cycle。这里的lime我想不起用那个词翻译能够全面表达这个循环过程。化学公式如下：

CaCO3 → CaO + CO2

CaO + H2O → Ca(OH)2

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

在现代水泥产生之前，石灰主要被用来与沙子和水混合制成砂浆mortar，是把砖石粘合的关键材料。至迟到1820年代，英国人还在大型工程项目上使用这种石灰砂浆。石灰的另外用途是建筑内涂料lime plaster和外墙涂料lime render。

使用mortar堆砌的建筑物在西方有个统称masonry，主要指以粘土砖，天然石块为材料建成的城堡，城墙，教堂之类持久坚固的建筑物。从事这项工作的人叫mason，中文翻译做石瓦匠，其实严重缩小了这个英文名字的内涵。一个mason的职责包括了现代意义上的建筑师，项目经理，施工经理和现场工人等等的总和。这也是古今词语意义的演化的一个例子。单独使用的Mason名字在现代很少见，其原先的体力工作部分主要为brick layer砌砖工和stone mason石匠继承，设计和管理职责已经被高度专业化的人士承担。不但mason的职责名目变化了，连大名鼎鼎的Freemasonry共济会，也从一个mason专业协会演变成国际阴谋俱乐部（据何新先生言）。

原因在哪里？建筑工业的专业分工趋势导致mason这个位置逐渐消亡。还有一个原因不可忽视。砂浆mortar的成分与时俱进，已经不再是石灰砂浆lime mortar。 Masonry部分在建筑物整体中比重很小，mason也就慢慢淡出了。

地下室混凝土砖外墙Concrete masonry units (CMUs)

从国内外石雕原料多是青石和大理石便可推论，石灰砂浆lime mortar在空气中凝固后所提供的强度不高。事实是它远远不如水泥。这个特质既是优点也是缺点。不过很明显，用石灰砂浆不可能建成现代的高楼。空气中的二氧化碳浓度很低，同时砂浆的状态（厚度）也会阻碍二氧化碳与砂浆内部的氢氧化钙反应。因此石灰砂浆的凝固非常缓慢，使得建筑工期极为漫长。这个重要原因促使工业革命后经济快速发展的西欧社会寻求一种新的建筑粘结剂。

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