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深度丨混凝土:人类文明进步的功臣良将,还是百年后的罪魁祸首?


来源:中国粉体网   生活中的粉体

[导读]  我们生活在一个名副其实的混凝土时代,百米高楼平地起,混凝土功不可没。但你是否知道,混凝土已经伴随人类文明走过了9000多年的岁月!



我们生活在一个名副其实的混凝土时代,百米高楼平地起,混凝土功不可没。但你是否知道,混凝土已经伴随人类文明走过了9000多年的岁月!9000多年的光阴里,历史的车轮滚滚向前,混凝土从古罗马的万神殿、从巴黎花匠的小作坊,走入到今天的摩天大楼和跨海大桥里,它见证了人类文明的进步,建构了社会发展的物质基石。但另一方面,即使是钢筋混凝土建筑,百年后也面临风化毁坏、钢筋腐烂导致建筑垮塌的风险,到时城市里会不会堆满不可降解的混凝土建筑垃圾?本文从混凝土的历史讲起,希望能带给读者一些思考。



左边是水泥,加了砂子、石子和水之后才是右边的混凝土

图片来源:须臾千秋 清华大学土木工程博士


一  、混凝土与人类文明的历史渊源


公元前7000年  加利利城与混凝土


混凝土的使用最早可以追溯到9000年前。在公元前7000年,以色列王国的加利利城就使用了简易的“混凝土”制作地板,当时的人使用煅烧的生石灰与砂子混合,在空气中缓慢硬化,最后居然也形成了强度。



七千年前的以色列加利利城,地板使用的就是“水泥”

图片来源:须臾千秋 清华大学土木工程博士


古罗马时期 万神殿与罗马混凝土


而真正意义上的混凝土的概念可追溯至古罗马时期。那个时期,几大文明古国——中国、埃及和古罗马的劳动人民就用烧石灰、烧粘土、烧石膏及石灰加火山灰作为胶凝材料配制混凝土。数千年以前, 中国劳动人民就用石灰与砂子混合配制成砂浆砌筑房屋, 用砂、土、石灰和砾石建造举世闻名的万里长城。



长城

图片来源:东方日出东海 新浪博客


罗马混凝土开始于公元前273年,罗马人通过将石膏与火山灰混合制成水性水泥,建筑工匠们将这种混凝土应用于筒形壳体和拱形圆顶,使建筑产生了一种全新的形式, 开创了建筑的新时代。最著名的就是建造于2000多年前的罗马万神殿,万神殿的圆屋顶直径达43.3米,其高度和直径相等,构成一个完美的半球,是古代世界最大的封闭建筑之一,这种建筑只有用罗马人发明的混凝土才能建成。



罗马万神殿圆顶

图片来源:九门胡同 ZOL摄影论坛


在那个还没有发明钢筋加固混凝土的时代,罗马人是如何建造这个圆屋顶的呢?他们用浮石掺入混凝土,制成一种非常轻质耐用的建筑材料。这种特制的混凝土被浇注入壳体,自下而上渐渐变薄,圆屋顶的底部有22英尺厚,而顶部仅有2英尺厚。随着古罗马帝国的衰亡,这项技术也就失传了。


18世纪  失传的水泥再次被使用


1756 年,英国人斯米顿(John Smeaton)通过实验找到从包含泥土的石灰石中制作石灰的方法 , 水性水泥再次被使用 , 这种水泥的主要成分是氧化钙。斯米顿的水泥是天然水泥的先驱 。


1796 年,英国人帕克(James Parker)发明了用不纯的石灰石烧成天然水泥, 并获得专利。他发明的水泥被称之为罗马水泥, 其成分包含氧化钙、二氧化硅和铝等。


19世纪  巴黎花匠与钢筋混凝土


19世纪中期的欧洲,用混凝土做花盆是一种时尚,利用混凝土的灵活性做成形状各异的花盆,非常好看。但混凝土做成的花盆,做薄了易碎,做厚了又笨重。1861年,有一个巴黎花匠蒙耶(Joseph Monier) 发明了在水泥沙浆花盆中放置铁丝网,制成的花盆薄且强度大, 并获得专利, 其后又陆续获得了梁、板、管等多项专利。至此,钢筋混凝土开始具有实用价值。蒙耶因此被称为钢筋混凝土结构的创始人。



Joseph Monier  19世纪中期

图片来源:刘小康  筑行


很快,大家就觉得普通的钢筋混凝土依然不够强,1886年美国工程师杰克逊(Jackson)在楼板中首次应用了预应力混凝土概念,1955年,华裔学者林同炎出版了经典著作《预应力混凝土结构设计》,成为了预应力混凝土发展的关键,被称为“预应力先生”。


20世纪 减水剂的发明与泵送混凝土


随着全世界土木工程建设量的增大和高层建筑的增加,对混凝土的强度要求也越来越大。20世纪30年代末,美国发明的松脂类引气剂和纸浆废液减水剂使混凝土的耐久性、流动性得到前所未有的提高。经过不断地探索发展,减水剂的功能被不断开发:增加水化效率,减少单位用水量,增加强度,节省水泥用量;改善尚未凝固的混凝土的和易性,防止混凝土成分的离析;提高抗渗性,减水透水性,避免混凝土建筑结构漏水,增加耐久性,增加耐化学腐蚀性能;减少混凝土凝固的收缩率,防止混凝土构件产生裂纹等。功能很强大有没有?!



减水剂的工作原理:将水泥颗粒分散开

图片来源:须臾千秋 清华大学土木工程博士


高效减水剂的应用成为继钢筋混凝土和预应力混凝土之后,混凝土发展史上第三次重大突破, 混凝土材料也进入由塑性、干硬性到流态化的第三代,减水剂的引入开启了混凝土输送新世界的大门:泵送!



泵送混凝土

图片来源:网络


加了合适比例的减水剂之后的混凝土,可以像水一样流动。这样一来,混凝土就不必再像过去那样一斗一斗地吊上楼,由强力泵将混凝土顺着钢管泵上百米高空,混凝土泵到了楼上,自动就会流平,工人只要适当地用振捣棒“修整”一下形状就好。几滴小小的减水剂,解放了成千上万的劳力,同时也大大加快了施工速度。


新时期  中国与高性能泵送混凝土


从21世纪开始,发达国家的建设的脚步逐渐慢了下来,而中国超高层建筑的建设则开始了井喷式的发展。仅2018年一年,中国就建造了88座200米或更高的建筑物,占世界摩天大楼当年建造总量的60%以上!中国基建的快速发展,对混凝土技术的需求十分迫切,这促使中国在高性能泵送混凝土方面取得了许多突破。



全球首次混凝土千米泵送实验在深圳平安金融中心项目取得成功

图片来源:网络


2015年,全球首次混凝土千米泵送试验在华南第一高楼取得成功。这意味着,中国已经完全掌握了千米高楼建设的核心技术和关键的数据资料。从泵送混凝土的凝结时间到骨料配比再到输送混凝土的泵管,中国先后解决了高性能泵送混凝土的各项“疑难杂症”,千米高楼的建设已经不再有技术上不可逾越的障碍。


二 、 发展背后的隐忧


比尔·盖茨曾做过一个令人震撼的对比:2011年至2013年期间,中国3年水泥消耗量超过美国在整个二十世纪的消耗量!在欣喜于祖国基建发展迅猛的同时,小编也不禁为若干年后这些混凝土如何处理的问题捏了一把汗……


南方周末曾经采访著名建筑学家王澍:你曾说2050年全部高层建筑都会坍塌,这种判断由何而来?



王澍 建筑学家 普利兹克建筑奖首位中国籍得主

图片来源:网络


王澍说:“两方面,一是整个地球的资源,是不能支撑这样的发展和建造的。另一个,以钢筋混凝土为主的建造技术,其实本质上是廉价、快速的建造技术,这些建筑一百年就完蛋了。像深圳这样的城市,我很忧虑再过50年,它会面临特别严重的问题——全是建筑垃圾。混凝土到时酥掉,没用了,拆掉它是极浩大的工程。”


理想情况下的混凝土寿命几乎是可以达到永久的,但只要暴露在空气中就不得不去考虑风化,不管是雨雪风霜洪水岩浆,还是树木扎根,生物生长都会对混凝土造成影响。露天混凝土建筑在与环境因素有很大关系的情况下,又得不到很好的维护,几十年内就会显著风化。除此之外,混凝土里面初始时是碱性的,但受空气中的二氧化碳影响,混凝土的PH值会慢慢降低逐渐变为酸性,会造成钢筋的锈蚀腐烂。即使混凝土完好,钢筋也会被锈蚀失去抗拉能力从而导致钢筋混凝土的结构失效,致使建筑坍塌,这就是混凝土建筑实际结构的寿命。



钢筋被腐蚀

图片来源:网络


早年的混凝土建筑和摩天大楼普遍留下很厚的混凝土层和很大的结构余量,建造过程中不计较工本因而现在都还很牢固。但是现代建筑就很难说了,除去风化、地震等自然环境因素不说,单是因偷工减料导致混凝土建筑十几年就坍塌的就比比皆是,或者因配方掺杂海沙盐分和贫乏保护严重风化锈蚀混凝土建筑几十年间就变成危楼的也不占少数。



坍塌的高楼

图片来源:新华社


在这个日新月异的新时代,人们掌握了空前强大的生产能力,近几十年创造物质财富的速度,远远超过工业革命时代,更别提说与遥远的古代相比了。不知道多少年之后,我们的子孙后代会不会面临这样的大难题:这些几乎同时建设起来的混凝土高楼大厦,到了集体废弃的时候,该怎么处理呢?混凝土埋在地下百年都不会变形、不会降解,还不如自然风化消失的快,但城市中这些多的混凝土建筑垃圾,又能放到哪里呢?到时候,钢筋混凝土带给我们的繁华,会不会演变成空前的灾难呢?!


小 结

纵览人类的千年发展,文明与混凝土一道不断进步革新,在人类社会发展的历史长河中,混凝土逐渐替代了木料和石头,成为当今最为重要的建筑用料。不管是我们居住的社区小家,还是气势恢宏的千亩楼宇,都是以混凝土为基石筑造的。人类应该感谢混凝土,尤其是在人口众多又密集的中国,它解决了超高层建筑建设的最核心难题。但是,与环境污染、资源过度开采一样,人类不计后果地对大自然的一味索取,不留退路地大刀阔斧的建设,究竟会不会在若干年后,由人类自己一一尽尝难以想象的苦果呢?未来尚未到来,在这里,小编不做“危言耸听”似的假设。只愿科技的不断发展,可以为人类的可持续发展多找到几条出路……


参考文献

1.卢汝生等,《混凝土——人类的伟大发明》;

2.黄世谋等,《混凝土材料的历史与发展》;

3.了不起的中国制造,《这种材料人类用了9000多年,但你却未必了解》。

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