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混凝土的前世今生:世界上最便宜又最好用的建筑材料

发表时间:2020-03-07 15:05作者:危樯夜舟来源:知识烹饪官

混凝土搅拌运输车


部分人可能会有这样的想法,觉得精神是高贵的,肉体的粗鄙的。


延伸到生活便觉得物质和金钱是难以启齿的,是肮脏的。


其实不然,实事求是地讲,身体不粗鄙,物质也不粗鄙,相反,我们生活的改善很多都得益于新材料的发明。


比如纸,比如钢。


比如我们今天要说的是混凝土


01

混凝土的构成


众所周知,混凝土是如今应用最为广泛的建筑材料之一,而在系统介绍此建材之前,搞清楚什么是混凝土当然首当其冲啦。


不过在此之前,先来问一个问题,混凝土多久会变干?


答案是混凝土多久都不会干,因为混凝土由四种材料构成:砂、砂石、水和水泥。


水就是混凝土的一部分。


砂、砂石和水我们都再熟悉不过了,这里就重点说说水泥。


水泥是混凝土中的活性物质,而制作水泥需要满足两个条件:


一:准备岩石。


水泥也被称作磨碎的岩石,所以各种岩石便是制作水泥所必需的原材料。但不是所有的岩石都能用,其中必须含有两种成分,碳酸钙和硅酸盐。


前者是石灰石,后者是硅氧化合物。地球上90%的地壳都由硅酸盐组成。


二:断开分子间化学键。


为了制造有活性的水泥,还必须先断开岩石中碳酸钙和硅酸盐之间的化学键。


要做到这一点并不容易,因为这两者之间的化学键异常坚固,这也是岩石很难溶于水,且山脉能够经历风吹雨打而万年不倒的原因。


而要做到这一点就必须加热,加热并不是问题,问题是要加热到1450℃的高温,要知道就连近期澳洲发生的森林大火,其火焰温度也只有700℃左右,所以加热到一千四百度不仅难度大且能耗高。


而岩石经过这种高温炙烤之后便会开始分裂重组,形成一群名为硅酸钙家族的物质,同时制作水泥还需要加入少量正确比例的铝铁矿,等冷却后便会形成一种摸上去起初有些丝绸顺滑感,但随后便会觉得干痒刺痛的灰白色粉末——水泥。


灰白色的水泥粉末


普通的黏土加水会变成烂泥浆,而之所以混凝土会坚固无比则是因为水泥遇到水会发生一系列特殊的化学反应而形成凝胶,类似于软软的但无法流动的果冻。


果冻胶化是因为明胶,水泥胶化则是因为水合硅酸钙原纤维。


水泥中的钙和硅酸分子溶解后,会形成极似有机分子的晶体结构,如下图所示:


混凝土结构


这种结构会随着化学反应的持续进行而不断生长,使得水泥内部的凝胶不断改变。


增生的原纤维相遇后还会彼此交错,形成键结锁住更多水分,直到水泥从凝胶变为坚硬的固体为止。这些原纤维不仅彼此键结,还会抓住岩石与石块。水泥就这样成了混凝土。


而混凝土优秀的品质保障则来源于三种材料正确的比例搭配,曾有一段时间经常会有豆腐渣工程被爆出来,原因就是黑心包工头为了省钱,偷工减料,以至于形成的混凝土强度性质极为低劣。



02

混凝土的历史



混凝土的历史最早可以追溯到两千多年前的罗马时代,也被称为罗马混凝土,与现在的波特兰混凝土的制造不同,罗马人很幸运,不用亲自调配不同比例的岩石并高温灼烧,因为拿坡里附近一个叫作波佐利的地方就有现成的水泥。


波佐利附近有火山,火山沙释放出的硫磺味让这里整年都臭气熏天,但同时也有着大量的岩浆,火山灰和浮石,火山灰来自火山口喷发的过热硅酸岩,因为其过程与现代水泥的制作过程类似,所以也具有部分现代水泥的特性——遇水变硬。


所不同的地方是这种火山灰需要加入石灰才能凝固。


而当罗马人发现这些火山岩粉末加上石灰特别是掺入石头可以变得很坚固后,他们便成为了人类史上第一个拥有混凝土这个独一无二建材的民族。


这项在当时绝无仅有的技术的出现不仅让建筑师的想象可以尽情驰骋,你要圆我给你浇个圆,你要方我给你浇个方,甚至你要大卫我都能给你浇个大卫出来,如果有这个模具的话。


同时也为罗马帝国带来了实实在在的好处。


因为这可以让罗马帝国在任何地方都兴建港口,也能修建沟渠和桥梁以把物资高效地运往任何有需要的地方。


罗马最宏伟的混凝土建筑就在首都——罗马万神殿的圆形穹顶。


罗马最宏伟的混凝土建筑就在首都——罗马万神殿的圆形穹顶


其浑圆一体的结构至今存在已逾两千年并仍旧屹立不倒。


而罗马万神殿的圆形穹顶之所以至今仍保存完好,主要有以下两个原因:


一是因为混凝土实在是太坚固了,有些超乎寻常的结构强度和抗压能力,你可以轻松压扁一块面团,但你很难压扁一块陨铁,同样你也很难压扁一块混凝土。


圆形穹顶的混凝土结构承受的正是挤压应力。


这个原因避免了其受天灾影响。


二是混凝土实在太坚固了,一旦浇筑成型便是铁板一块并且没有可塑性,不同于砖造建筑被推倒后,里面的砖块可以重复利用,强行将混凝土建筑破坏,得到的也只是一堆没用建筑垃圾,所以没人打混凝土建筑的主意。


而之所以万里长城如今被破坏严重,就是各朝代陆续有农民将长城的砖块抱回家垒猪圈。


这避免了其受人祸的影响。


不过一个吊诡的现象是罗马万神殿的穹顶没有因为罗马帝国的衰落而消失,但混凝土却随着罗马帝国的衰落而销声匿迹了——古罗马停止使用混凝土后,一千多年内都未曾出现过此建筑材料。


这个现象出现的原因至今仍是个谜,答案众说纷纭,而其中一个说法便是罗马混凝土好处多多,但有一个致命缺陷,因为没有人能够解决它而不得不舍弃了混凝土。


这个缺陷涉及到了材料的断裂学,首先材料有两种断裂方式。


一种是韧性断裂,比如口香糖的拉伸断裂。


此类材料在受到法向力的拉扯后会产生晶格重排而导致延展,使得中间越来越细,最后一分为二。大多数金属的断裂也是如此。


另一种是脆性断裂,玻璃和茶杯的破裂就是如此。


这些材料无法借由流动抵消拉扯的力道,所以只要有一处裂痕便会破坏整体,使得材料断开或碎裂。混凝土即属此类。


这个大大限制了混凝土的用途,因为当用其来兴建横梁或悬垂楼面等会受到剪切应力的结构时,很小的一点裂缝都能导致混凝土的崩塌。


所以使得混凝土只能用在受挤压而非拉扯的结构上,前者例如柱子,圆顶或地基。


混凝土剪切应力和法向应力


所以不难猜出,被罗马人废弃使用了一千多年的混凝土重现江湖之日,也是混凝土无法承受哪怕很小的剪切应力这个问题被解决之时。


同很多科学难题的破解过程类似,这个问题的解决也极具偶然性。


03

混凝土的重生


1867年,在巴黎有一个喜欢自制花盆的园艺家莫尼耶,园艺家嘛,栽花种草的就对花盆的需求量较大。不过在那之前花盆都是用陶瓦做的,易碎且造价高昂,更是不适合用来栽种在温室里迅速生长的热带植物。


而此处混凝土就显得更加合适,混凝土材料便宜,便于制作大型花盆,而且无需高温烧制,成本进一步降低。


于是莫尼耶便考虑用混凝土制作花盆。


但事实上混凝土的韧性确实不大好,仍然易碎易龟裂。不过随后莫尼耶又想到了一个办法,就是在混凝土里放入钢圈。


钢筋混凝土


这便是世界上第一个钢筋混凝土建材。这个尝试如今被证明是无比成功的。


因为对于外界施加的法向应力仍旧由混凝土一力承担,而原来无法胜任的剪切应力则由钢筋这种极具韧性的金属完全吸收。


这就像是一个瞎子驮上了一个跛子,瞎子走路,跛子看路,两人取长补短,相得益彰。


于是这种材料理论上可以被用在建筑结构的任何地方。


而这种成功的背后有两个不得不提的“巧合”。


一是硅酸钙原纤维不仅能够吸附砖头和石子,与钢筋的键合强度竟然也相当之大。


要知道万一钢筋与混凝土犹如水见了油一般,两者的相对位置便无法固定,也就没办法实际应用了。


二是材料不是一成不变的,而是会随着温度的变化热胀冷缩,如果混合材料中的两种组分膨胀系数相差过大,很容易导致裂缝的产生,久而久之也会导致建筑结构崩塌。


当时的工程师大都认为钢和混凝土的材质相差太大,胀缩率必然不同,很可能导致结构解体,故而没人愿意尝试。


但事实上令人惊奇的是这两种材料的胀缩率几乎完全相同,这使得它们随时都处在无缝对接的状态。


而当一位名叫威尔金森的英国人也凑巧发现了这个神奇组合以后,钢筋混凝土大放异彩时代从此拉开。


大放异彩到什么地步呢?地球上现如今超过半数的建筑都是由钢筋混凝土建造而成的。


而另一半用泥巴,木材抑或金属波浪板搭成的房屋的屋主并非不想用混凝土,而是这些穷人用不起,(每吨一百英镑,可以说是世界上相当廉价的建材)如果可以的话,谁愿意住禁不起风吹雨打,且冬冷夏热的房子呢?



04

混凝土的未来


通过以上我们了解了混凝土的组成,历史和优势,但万物有无相生,难易相成,长短相形,高下相倾,在一片祥和的表象之下,混凝土内部也是危机四伏暗流涌动。


它也有着致命缺陷——金属腐蚀。


一般说来,混凝土内的碱性成分会在钢筋外表形成一层氢氧化铁作为保护膜。不过,随着时间拉长,建筑磨损、剥蚀和长年热胀冷缩,会让混凝土出现小裂痕。这些裂痕会让水分渗入,而水分一旦结冻就会膨胀,导致裂痕加深。


这种磨损和侵蚀是所有石造建筑的宿命,也是山的宿命,也就是风化侵蚀的原因。


钢筋混凝土的问题就是一旦钢筋被锈蚀到一定程度,仍旧会出现无法承受剪切应力的问题,极易造成建筑损毁继而危及生命。


不过总是上有政策,下有对策。这个对策就是生产自愈合混凝土。


它的灵感来源于一种生活在极端条件下的细菌。


愈合混凝土



这个极端环境指的是由于火山活动而形成的强碱湖泊,这些湖泊的PH值高达11,甚至可以腐蚀人的皮肤,然而令人想不到的是在这种情况下仍有细菌生存。


科学家发现,其中一种名为巴氏芽孢杆菌的细菌会分泌方解石,而方解石正是混凝土的成分之一。科学家还发现这种杆菌非常顽强,能在岩石里蛰伏数十年之久。


自愈合混凝土就是将这种杆菌与这种杆菌会吃的某种淀粉一同掺进钢筋混凝土的内部结构中。


这些杆菌平常处于蛰伏状态,被含水硅酸钙原纤维包围。但当混凝土出现裂隙时,这些杆菌就会重获自由,遇到水便会醒来,开始寻找食物。它们吃掉混凝土里的淀粉后就会生长与繁殖,并分泌方解石。


方解石是碳酸钙的一种,和混凝土键结后会形成矿物构造,把裂隙填满,使裂隙不再扩大。


当然,能够分泌石灰石的细菌后续也被纳入了考虑范围之内。


后记


以前看文章,经常有人说我们住在一座钢筋混凝土形成的森林里。


确实,城市里所有的建筑都是由钢筋混凝土浇筑而成的,然而我们却丝毫看不到一点它们的身影。


因为它们被形形色色的装饰物所包裹和掩盖着,玻璃、涂料、甚至海报。


就像是一座座光鲜亮丽的城市都是由在底层流血流泪的普罗大众支撑起来的一样。


但我们能看到的就只是处在聚光灯之下的那么一小撮人。


犹如附着在钢筋混凝土表面的琉璃和瓷瓦。


当然,钢筋混凝土长得丑是事实,看起来没温度也是事实,但我还是想让更多的人能够认识到处于聚光灯之外的人和事物。


毕竟聚光灯下的人和事物,已然有太多关注了嘛~


总而言之,于我们如今的“幸福生活”而言,钢筋混凝土是雪中送炭,琉璃瓷瓦只能说是锦上添花。