部分人可能會(huì)有這樣的想法，覺(jué)得精神是高貴的，肉體的粗鄙的。

延伸到生活便覺(jué)得物質(zhì)和金錢(qián)是難以啟齒的，是骯臟的。

其實(shí)不然，實(shí)事求是地講，身體不粗鄙，物質(zhì)也不粗鄙，相反，我們生活的改善很多都得益于新材料的發(fā)明。

比如紙，比如鋼。

比如我們今天要說(shuō)的是混凝土。

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01

混凝土的構(gòu)成

眾所周知，混凝土是如今應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一，而在系統(tǒng)介紹此建材之前，搞清楚什么是混凝土當(dāng)然首當(dāng)其沖啦。

不過(guò)在此之前，先來(lái)問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，混凝土多久會(huì)變干？

答案是混凝土多久都不會(huì)干，因?yàn)榛炷劣伤姆N材料構(gòu)成：砂、砂石、水和水泥。

水就是混凝土的一部分。

砂、砂石和水我們都再熟悉不過(guò)了，這里就重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)水泥。

水泥是混凝土中的活性物質(zhì)，而制作水泥需要滿足兩個(gè)條件：

一:準(zhǔn)備巖石。

水泥也被稱(chēng)作磨碎的巖石，所以各種巖石便是制作水泥所必需的原材料。但不是所有的巖石都能用，其中必須含有兩種成分，碳酸鈣和硅酸鹽。

前者是石灰石，后者是硅氧化合物。地球上90%的地殼都由硅酸鹽組成。

二：斷開(kāi)分子間化學(xué)鍵。

為了制造有活性的水泥，還必須先斷開(kāi)巖石中碳酸鈣和硅酸鹽之間的化學(xué)鍵。

要做到這一點(diǎn)并不容易，因?yàn)檫@兩者之間的化學(xué)鍵異常堅(jiān)固，這也是巖石很難溶于水，且山脈能夠經(jīng)歷風(fēng)吹雨打而萬(wàn)年不倒的原因。

而要做到這一點(diǎn)就必須加熱，加熱并不是問(wèn)題，問(wèn)題是要加熱到1450℃的高溫，要知道就連近期澳洲發(fā)生的森林大火，其火焰溫度也只有700℃左右，所以加熱到一千四百度不僅難度大且能耗高。

而巖石經(jīng)過(guò)這種高溫炙烤之后便會(huì)開(kāi)始分裂重組，形成一群名為硅酸鈣家族的物質(zhì)，同時(shí)制作水泥還需要加入少量正確比例的鋁鐵礦，等冷卻后便會(huì)形成一種摸上去起初有些絲綢順滑感，但隨后便會(huì)覺(jué)得干癢刺痛的灰白色粉末——水泥。

普通的黏土加水會(huì)變成爛泥漿，而之所以混凝土?xí)?jiān)固無(wú)比則是因?yàn)樗嘤龅剿畷?huì)發(fā)生一系列特殊的化學(xué)反應(yīng)而形成凝膠，類(lèi)似于軟軟的但無(wú)法流動(dòng)的果凍。

果凍膠化是因?yàn)槊髂z，水泥膠化則是因?yàn)樗瞎杷徕}原纖維。

水泥中的鈣和硅酸分子溶解后，會(huì)形成極似有機(jī)分子的晶體結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

這種結(jié)構(gòu)會(huì)隨著化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行而不斷生長(zhǎng)，使得水泥內(nèi)部的凝膠不斷改變。

增生的原纖維相遇后還會(huì)彼此交錯(cuò)，形成鍵結(jié)鎖住更多水分，直到水泥從凝膠變?yōu)閳?jiān)硬的固體為止。這些原纖維不僅彼此鍵結(jié)，還會(huì)抓住巖石與石塊。水泥就這樣成了混凝土。

而混凝土優(yōu)秀的品質(zhì)保障則來(lái)源于三種材料正確的比例搭配，曾有一段時(shí)間經(jīng)常會(huì)有豆腐渣工程被爆出來(lái)，原因就是黑心包工頭為了省錢(qián)，偷工減料，以至于形成的混凝土強(qiáng)度性質(zhì)極為低劣。

02

混凝土的歷史

混凝土的歷史最早可以追溯到兩千多年前的羅馬時(shí)代，也被稱(chēng)為羅馬混凝土，與現(xiàn)在的波特蘭混凝土的制造不同，羅馬人很幸運(yùn)，不用親自調(diào)配不同比例的巖石并高溫灼燒，因?yàn)槟闷吕锔浇粋€(gè)叫作波佐利的地方就有現(xiàn)成的水泥。

波佐利附近有火山，火山沙釋放出的硫磺味讓這里整年都臭氣熏天，但同時(shí)也有著大量的巖漿，火山灰和浮石，火山灰來(lái)自火山口噴發(fā)的過(guò)熱硅酸巖，因?yàn)槠溥^(guò)程與現(xiàn)代水泥的制作過(guò)程類(lèi)似，所以也具有部分現(xiàn)代水泥的特性——遇水變硬。

所不同的地方是這種火山灰需要加入石灰才能凝固。

而當(dāng)羅馬人發(fā)現(xiàn)這些火山巖粉末加上石灰特別是摻入石頭可以變得很堅(jiān)固后，他們便成為了人類(lèi)史上第一個(gè)擁有混凝土這個(gè)獨(dú)一無(wú)二建材的民族。

這項(xiàng)在當(dāng)時(shí)絕無(wú)僅有的技術(shù)的出現(xiàn)不僅讓建筑師的想象可以盡情馳騁，你要圓我給你澆個(gè)圓，你要方我給你澆個(gè)方，甚至你要大衛(wèi)我都能給你澆個(gè)大衛(wèi)出來(lái)，如果有這個(gè)模具的話。

同時(shí)也為羅馬帝國(guó)帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的好處。

因?yàn)檫@可以讓羅馬帝國(guó)在任何地方都興建港口，也能修建溝渠和橋梁以把物資高效地運(yùn)往任何有需要的地方。

羅馬最宏偉的混凝土建筑就在首都——羅馬萬(wàn)神殿的圓形穹頂。

其渾圓一體的結(jié)構(gòu)至今存在已逾兩千年并仍舊屹立不倒。

而羅馬萬(wàn)神殿的圓形穹頂之所以至今仍保存完好，主要有以下兩個(gè)原因：

一是因?yàn)榛炷翆?shí)在是太堅(jiān)固了，有些超乎尋常的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗壓能力，你可以輕松壓扁一塊面團(tuán)，但你很難壓扁一塊隕鐵，同樣你也很難壓扁一塊混凝土。

圓形穹頂?shù)幕炷两Y(jié)構(gòu)承受的正是擠壓應(yīng)力。

這個(gè)原因避免了其受天災(zāi)影響。

二是混凝土實(shí)在太堅(jiān)固了，一旦澆筑成型便是鐵板一塊并且沒(méi)有可塑性，不同于磚造建筑被推倒后，里面的磚塊可以重復(fù)利用，強(qiáng)行將混凝土建筑破壞，得到的也只是一堆沒(méi)用建筑垃圾，所以沒(méi)人打混凝土建筑的主意。

而之所以萬(wàn)里長(zhǎng)城如今被破壞嚴(yán)重，就是各朝代陸續(xù)有農(nóng)民將長(zhǎng)城的磚塊抱回家壘豬圈。

這避免了其受人禍的影響。

不過(guò)一個(gè)吊詭的現(xiàn)象是羅馬萬(wàn)神殿的穹頂沒(méi)有因?yàn)榱_馬帝國(guó)的衰落而消失，但混凝土卻隨著羅馬帝國(guó)的衰落而銷(xiāo)聲匿跡了——古羅馬停止使用混凝土后，一千多年內(nèi)都未曾出現(xiàn)過(guò)此建筑材料。

這個(gè)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因至今仍是個(gè)謎，答案眾說(shuō)紛紜，而其中一個(gè)說(shuō)法便是羅馬混凝土好處多多，但有一個(gè)致命缺陷，因?yàn)闆](méi)有人能夠解決它而不得不舍棄了混凝土。

這個(gè)缺陷涉及到了材料的斷裂學(xué)，首先材料有兩種斷裂方式。

一種是韌性斷裂，比如口香糖的拉伸斷裂。

此類(lèi)材料在受到法向力的拉扯后會(huì)產(chǎn)生晶格重排而導(dǎo)致延展，使得中間越來(lái)越細(xì)，最后一分為二。大多數(shù)金屬的斷裂也是如此。

另一種是脆性斷裂，玻璃和茶杯的破裂就是如此。

這些材料無(wú)法借由流動(dòng)抵消拉扯的力道，所以只要有一處裂痕便會(huì)破壞整體，使得材料斷開(kāi)或碎裂?；炷良磳俅祟?lèi)。

這個(gè)大大限制了混凝土的用途，因?yàn)楫?dāng)用其來(lái)興建橫梁或懸垂樓面等會(huì)受到剪切應(yīng)力的結(jié)構(gòu)時(shí)，很小的一點(diǎn)裂縫都能導(dǎo)致混凝土的崩塌。

所以使得混凝土只能用在受擠壓而非拉扯的結(jié)構(gòu)上，前者例如柱子，圓頂或地基。

所以不難猜出，被羅馬人廢棄使用了一千多年的混凝土重現(xiàn)江湖之日，也是混凝土無(wú)法承受哪怕很小的剪切應(yīng)力這個(gè)問(wèn)題被解決之時(shí)。

同很多科學(xué)難題的破解過(guò)程類(lèi)似，這個(gè)問(wèn)題的解決也極具偶然性。

03

混凝土的重生

1867年，在巴黎有一個(gè)喜歡自制花盆的園藝家莫尼耶，園藝家嘛，栽花種草的就對(duì)花盆的需求量較大。不過(guò)在那之前花盆都是用陶瓦做的，易碎且造價(jià)高昂，更是不適合用來(lái)栽種在溫室里迅速生長(zhǎng)的熱帶植物。

而此處混凝土就顯得更加合適，混凝土材料便宜，便于制作大型花盆，而且無(wú)需高溫?zé)?，成本進(jìn)一步降低。

于是莫尼耶便考慮用混凝土制作花盆。

但事實(shí)上混凝土的韌性確實(shí)不大好，仍然易碎易龜裂。不過(guò)隨后莫尼耶又想到了一個(gè)辦法，就是在混凝土里放入鋼圈。

這便是世界上第一個(gè)鋼筋混凝土建材。這個(gè)嘗試如今被證明是無(wú)比成功的。

因?yàn)閷?duì)于外界施加的法向應(yīng)力仍舊由混凝土一力承擔(dān)，而原來(lái)無(wú)法勝任的剪切應(yīng)力則由鋼筋這種極具韌性的金屬完全吸收。

這就像是一個(gè)瞎子馱上了一個(gè)跛子，瞎子走路，跛子看路，兩人取長(zhǎng)補(bǔ)短，相得益彰。

于是這種材料理論上可以被用在建筑結(jié)構(gòu)的任何地方。

而這種成功的背后有兩個(gè)不得不提的“巧合”。

一是硅酸鈣原纖維不僅能夠吸附磚頭和石子，與鋼筋的鍵合強(qiáng)度竟然也相當(dāng)之大。

要知道萬(wàn)一鋼筋與混凝土猶如水見(jiàn)了油一般，兩者的相對(duì)位置便無(wú)法固定，也就沒(méi)辦法實(shí)際應(yīng)用了。

二是材料不是一成不變的，而是會(huì)隨著溫度的變化熱脹冷縮，如果混合材料中的兩種組分膨脹系數(shù)相差過(guò)大，很容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，久而久之也會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)崩塌。

當(dāng)時(shí)的工程師大都認(rèn)為鋼和混凝土的材質(zhì)相差太大，脹縮率必然不同，很可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體，故而沒(méi)人愿意嘗試。

但事實(shí)上令人驚奇的是這兩種材料的脹縮率幾乎完全相同，這使得它們隨時(shí)都處在無(wú)縫對(duì)接的狀態(tài)。

而當(dāng)一位名叫威爾金森的英國(guó)人也湊巧發(fā)現(xiàn)了這個(gè)神奇組合以后，鋼筋混凝土大放異彩時(shí)代從此拉開(kāi)。

大放異彩到什么地步呢？地球上現(xiàn)如今超過(guò)半數(shù)的建筑都是由鋼筋混凝土建造而成的。

而另一半用泥巴，木材抑或金屬波浪板搭成的房屋的屋主并非不想用混凝土，而是這些窮人用不起，(每噸一百英鎊，可以說(shuō)是世界上相當(dāng)廉價(jià)的建材)如果可以的話，誰(shuí)愿意住禁不起風(fēng)吹雨打，且冬冷夏熱的房子呢？

04

混凝土的未來(lái)

通過(guò)以上我們了解了混凝土的組成，歷史和優(yōu)勢(shì)，但萬(wàn)物有無(wú)相生，難易相成，長(zhǎng)短相形，高下相傾，在一片祥和的表象之下，混凝土內(nèi)部也是危機(jī)四伏暗流涌動(dòng)。

它也有著致命缺陷——金屬腐蝕。

一般說(shuō)來(lái)，混凝土內(nèi)的堿性成分會(huì)在鋼筋外表形成一層氫氧化鐵作為保護(hù)膜。不過(guò)，隨著時(shí)間拉長(zhǎng)，建筑磨損、剝蝕和長(zhǎng)年熱脹冷縮，會(huì)讓混凝土出現(xiàn)小裂痕。這些裂痕會(huì)讓水分滲入，而水分一旦結(jié)凍就會(huì)膨脹，導(dǎo)致裂痕加深。

這種磨損和侵蝕是所有石造建筑的宿命，也是山的宿命，也就是風(fēng)化侵蝕的原因。

鋼筋混凝土的問(wèn)題就是一旦鋼筋被銹蝕到一定程度，仍舊會(huì)出現(xiàn)無(wú)法承受剪切應(yīng)力的問(wèn)題，極易造成建筑損毀繼而危及生命。

不過(guò)總是上有政策，下有對(duì)策。這個(gè)對(duì)策就是生產(chǎn)自愈合混凝土。

它的靈感來(lái)源于一種生活在極端條件下的細(xì)菌。

這個(gè)極端環(huán)境指的是由于火山活動(dòng)而形成的強(qiáng)堿湖泊，這些湖泊的PH值高達(dá)11，甚至可以腐蝕人的皮膚，然而令人想不到的是在這種情況下仍有細(xì)菌生存。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其中一種名為巴氏芽孢桿菌的細(xì)菌會(huì)分泌方解石，而方解石正是混凝土的成分之一?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)這種桿菌非常頑強(qiáng)，能在巖石里蟄伏數(shù)十年之久。

自愈合混凝土就是將這種桿菌與這種桿菌會(huì)吃的某種淀粉一同摻進(jìn)鋼筋混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。

這些桿菌平常處于蟄伏狀態(tài)，被含水硅酸鈣原纖維包圍。但當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂隙時(shí)，這些桿菌就會(huì)重獲自由，遇到水便會(huì)醒來(lái)，開(kāi)始尋找食物。它們吃掉混凝土里的淀粉后就會(huì)生長(zhǎng)與繁殖，并分泌方解石。

方解石是碳酸鈣的一種，和混凝土鍵結(jié)后會(huì)形成礦物構(gòu)造，把裂隙填滿，使裂隙不再擴(kuò)大。

當(dāng)然，能夠分泌石灰石的細(xì)菌后續(xù)也被納入了考慮范圍之內(nèi)。