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和金錢是難以啟齒的，是骯臟的。

其實不然，實事求是地講，身體不粗鄙，物質也不粗鄙，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。

01

混凝土的構成

眾所周知，混凝土是如今應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然首當其沖啦。

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，因為混凝土由四種材料構成：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，這里就重點說說水泥。

水泥是混凝土中的活性物質，而制作水泥需要滿足兩個條件：

一:準備巖石。

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鍵。

要做到這一點并不容易，因為這兩者之間的化學鍵異常堅固，這也是巖石很難溶于水，且山脈能夠經歷風吹雨打而萬年不倒的原因。

而要做到這一點就必須加熱，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，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，而之所以混凝土會堅固無比則是因為水泥遇到水會發(fā)生一系列特殊的化學反應而形成凝膠，類似于軟軟的但無法流動的果凍。

果凍膠化是因為明膠，水泥膠化則是因為水合硅酸鈣原纖維。

水泥中的鈣和硅酸分子溶解后，會形成極似有機分子的晶體結構，如下圖所示：

這種結構會隨著化學反應的持續(xù)進行而不斷生長，使得水泥內部的凝膠不斷改變。

增生的原纖維相遇后還會彼此交錯，形成鍵結鎖住更多水分，直到水泥從凝膠變?yōu)閳杂驳墓腆w為止。這些原纖維不僅彼此鍵結，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)秀的品質保障則來源于三種材料正確的比例搭配，曾有一段時間經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度性質極為低劣。

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，不用親自調配不同比例的巖石并高溫灼燒，因為拿坡里附近一個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，因為其過程與現(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固后，他們便成為了人類史上第一個擁有混凝土這個獨一無二建材的民族。

這項在當時絕無僅有的技術的出現(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實在在的好處。

因為這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。

其渾圓一體的結構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：

一是因為混凝土實在是太堅固了，有些超乎尋常的結構強度和抗壓能力，你可以輕松壓扁一塊面團，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構承受的正是擠壓應力。

這個原因避免了其受天災影響。

二是混凝土實在太堅固了，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利用，強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重，就是各朝代陸續(xù)有農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為羅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，因為沒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，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生晶格重排而導致延展，使得中間越來越細，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?。

這個大大限制了混凝土的用途，因為當用其來興建橫梁或懸垂樓面等會受到剪切應力的結構時，很小的一點裂縫都能導致混凝土的崩塌。

所以使得混凝土只能用在受擠壓而非拉扯的結構上，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力這個問題被解決之時。

同很多科學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，而且無需高溫燒制，成本進一步降低。

于是莫尼耶便考慮用混凝土制作花盆。

但事實上混凝土的韌性確實不大好，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。

因為對于外界施加的法向應力仍舊由混凝土一力承擔，而原來無法勝任的剪切應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，兩人取長補短，相得益彰。

于是這種材料理論上可以被用在建筑結構的任何地方。

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，與鋼筋的鍵合強度竟然也相當之大。

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，也就沒辦法實際應用了。

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，很容易導致裂縫的產生，久而久之也會導致建筑結構崩塌。

當時的工程師大都認為鋼和混凝土的材質相差太大，脹縮率必然不同，很可能導致結構解體，故而沒人愿意嘗試。

但事實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廉價的建材)如果可以的話，誰愿意住禁不起風吹雨打，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，混凝土內部也是危機四伏暗流涌動。

它也有著致命缺陷——金屬腐蝕。

一般說來，混凝土內的堿性成分會在鋼筋外表形成一層氫氧化鐵作為保護膜。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，而水分一旦結凍就會膨脹，導致裂痕加深。

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菌。

這個極端環(huán)境指的是由于火山活動而形成的強堿湖泊，這些湖泊的PH值高達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菌生存。

科學家發(fā)現(xiàn)，其中一種名為巴氏芽孢桿菌的細菌會分泌方解石，而方解石正是混凝土的成分之一?？茖W家還發(fā)現(xiàn)這種桿菌非常頑強，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鋼筋混凝土的內部結構中。

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，和混凝土鍵結后會形成礦物構造，把裂隙填滿，使裂隙不再擴大。

當然，能夠分泌石灰石的細菌后續(xù)也被納入了考慮范圍之內。