部分人可能會有這樣的想法，覺得精神是高貴的，肉體的粗鄙的。

延伸到生活便覺得物質(zhì)和金錢是難以啟齒的，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。

不過在此之前，先來問一個問題，混凝土多久會變干？

答案是混凝土多久都不會干，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了，這里就重點(diǎn)說說水泥。

水泥是混凝土中的活性物質(zhì)，而制作水泥需要滿足兩個條件：

一:準(zhǔn)備巖石。

水泥也被稱作磨碎的巖石，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：斷開分子間化學(xué)鍵。

為了制造有活性的水泥，還必須先斷開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，加熱并不是問題，問題是要加熱到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)過這種高溫炙烤之后便會開始分裂重組，形成一群名為硅酸鈣家族的物質(zhì)，同時制作水泥還需要加入少量正確比例的鋁鐵礦，等冷卻后便會形成一種摸上去起初有些絲綢順滑感，但隨后便會覺得干癢刺痛的灰白色粉末——水泥。

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

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)會隨著化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行而不斷生長，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彼此交錯，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)保障則來源于三種材料正確的比例搭配，曾有一段時間經(jīng)常會有豆腐渣工程被爆出來，原因就是黑心包工頭為了省錢，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代，也被稱為羅馬混凝土，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€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，但同時也有著大量的巖漿，火山灰和浮石，火山灰來自火山口噴發(fā)的過熱硅酸巖，因?yàn)槠溥^程與現(xiàn)代水泥的制作過程類似，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，他們便成為了人類史上第一個擁有混凝土這個獨(dú)一無二建材的民族。

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

同時也為羅馬帝國帶來了實(shí)實(shí)在在的好處。

因?yàn)檫@可以讓羅馬帝國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。

而羅馬萬神殿的圓形穹頂之所以至今仍保存完好，主要有以下兩個原因：

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用建筑垃圾，所以沒人打混凝土建筑的主意。

而之所以萬里長城如今被破壞嚴(yán)重，就是各朝代陸續(xù)有農(nóng)民將長城的磚塊抱回家壘豬圈。

這避免了其受人禍的影響。

不過一個吊詭的現(xiàn)象是羅馬萬神殿的穹頂沒有因?yàn)榱_馬帝國的衰落而消失，但混凝土卻隨著羅馬帝國的衰落而銷聲匿跡了——古羅馬停止使用混凝土后，一千多年內(nèi)都未曾出現(xiàn)過此建筑材料。

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

這個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。

此類材料在受到法向力的拉扯后會產(chǎn)生晶格重排而導(dǎo)致延展，使得中間越來越細(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。

這些材料無法借由流動抵消拉扯的力道，所以只要有一處裂痕便會破壞整體，使得材料斷開或碎裂?；炷良磳俅祟悺?/span>

這個大大限制了混凝土的用途，因?yàn)楫?dāng)用其來興建橫梁或懸垂樓面等會受到剪切應(yīng)力的結(jié)構(gòu)時，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，也是混凝土無法承受哪怕很小的剪切應(yīng)力這個問題被解決之時。

同很多科學(xué)難題的破解過程類似，這個問題的解決也極具偶然性。

03

混凝土的重生

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

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，而且無需高溫?zé)疲杀具M(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。不過隨后莫尼耶又想到了一個辦法，就是在混凝土里放入鋼圈。

這便是世界上第一個鋼筋混凝土建材。這個嘗試如今被證明是無比成功的。

因?yàn)閷τ谕饨缡┘拥姆ㄏ驊?yīng)力仍舊由混凝土一力承擔(dān)，而原來無法勝任的剪切應(yīng)力則由鋼筋這種極具韌性的金屬完全吸收。

這就像是一個瞎子馱上了一個跛子，瞎子走路，跛子看路，兩人取長補(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。

要知道萬一鋼筋與混凝土猶如水見了油一般，兩者的相對位置便無法固定，也就沒辦法實(shí)際應(yīng)用了。

二是材料不是一成不變的，而是會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)相差過大，很容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，久而久之也會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)崩塌。

當(dāng)時的工程師大都認(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，這使得它們隨時都處在無縫對接的狀態(tài)。

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

大放異彩到什么地步呢？地球上現(xiàn)如今超過半數(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，可以說是世界上相當(dāng)廉價的建材)如果可以的話，誰愿意住禁不起風(fēng)吹雨打，且冬冷夏熱的房子呢？

04

混凝土的未來

通過以上我們了解了混凝土的組成，歷史和優(yōu)勢，但萬物有無相生，難易相成，長短相形，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。

它也有著致命缺陷——金屬腐蝕。

一般說來，混凝土內(nèi)的堿性成分會在鋼筋外表形成一層氫氧化鐵作為保護(hù)膜。不過，隨著時間拉長，建筑磨損、剝蝕和長年熱脹冷縮，會讓混凝土出現(xiàn)小裂痕。這些裂痕會讓水分滲入，而水分一旦結(jié)凍就會膨脹，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。

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

不過總是上有政策，下有對策。這個對策就是生產(chǎn)自愈合混凝土。

它的靈感來源于一種生活在極端條件下的細(xì)菌。

這個極端環(huán)境指的是由于火山活動而形成的強(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，這些桿菌就會重獲自由，遇到水便會醒來，開始尋找食物。它們吃掉混凝土里的淀粉后就會生長與繁殖，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)。