沒有“水泥”，古代的建筑看著再高也只能是單層

  前些天，在《看了那么多大樓和大橋，但你真的了解混凝土嗎？》一文中，我們給大家介紹了混凝土（俗稱“水泥”，不過嚴(yán)格意義上講，其實(shí)水泥和混凝土并不完全劃等號，我們下面會詳細(xì)介紹）的技術(shù)演變歷程。在這一發(fā)展過程中，中國發(fā)揮了巨大的作用：研制出了集減水、緩凝、引氣等功效于一體的外加劑，控制了混凝土的凝結(jié)時間；優(yōu)化了骨料的級配，提升了混凝土的流動性和密實(shí)度；改進(jìn)了泵管，讓泵管上密布傳感器，測量并監(jiān)控混凝土的泵壓以及泵管的磨損情況……解決了高性能泵送混凝土的各項(xiàng)“疑難雜癥”。

  中國的混凝土技術(shù)這么厲害，可是，你知道集高科技和接地氣于一身的混凝土為什么能夠幫助人類蓋起那么多高樓大廈嗎？我們從頭說起。

  （一）古代蓋高樓難，主要是因?yàn)闆]“水泥”

  熟悉歷史的人都知道，在古代，建筑的主流是平房。要想把房子蓋個二三層，那可是一件成本頗高的事情。即使是哪位權(quán)勢熏天的國王或者教皇想修一座摩天的皇宮或者教堂，也往往只是外面高，其實(shí)里面還是單層的。至于普通的民居，尤其是在樹木匱乏的北方，那就干脆從內(nèi)到外都是單層的了。

  （作為古代建筑的巔峰代表，教堂的內(nèi)部也是單層結(jié)構(gòu)）

  可是到了20世紀(jì)，高層建筑卻好像一下子不值錢了起來。城市里的普通民居蓋到二、三十層變得十分常見，摩天大樓更是動輒五六百米高。

  那究竟是什么，把人們從土坯房里，搬到了曾經(jīng)連皇帝也住不上的高樓大廈中呢？

  答案就是水泥的發(fā)明。

  古代的建筑之所以蓋不出多層來，最根本的原因，是缺少一類東西：抗彎構(gòu)件，也就是梁和樓板。

  墻和柱子很好辦，用石頭、磚頭，甚至夯土都可以?？墒悄銦o法把磚頭砌成懸空的板，何況還要在上面擺家具、住人。可以想象，如果有人這樣做，“磚頭梁”的下部就會裂開，然后噼里啪啦地掉磚頭。在古代，梁和樓板都只能由木材來做。木材內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)使其勉強(qiáng)可以承擔(dān)拉應(yīng)力，可是天然的長木材本身就很寶貴，加之木材很軟，應(yīng)用場合有限，因此高層的木結(jié)構(gòu)也難以推廣。要修一座十層左右的木塔，需舉全國之力來完成，這也難怪老百姓只能住平房了。

  （梁的受力示意圖。梁的底部受拉力，在古代，無論是磚頭還是石材都無法抗拉，只有木頭可以勉強(qiáng)勝任）

  這樣的主流建筑形式一直持續(xù)到了19世紀(jì)，直到1824年，英國的花匠阿斯普丁將石灰石與黏土混合煅燒，發(fā)明了我們當(dāng)代人使用的水泥。自此，這種神奇的材料讓建筑的面貌發(fā)生了翻天覆地的改變。

  只需將這種灰色的粉末與水、砂子、石子拌在一起，澆筑成你希望的形狀，過幾天它就變得硬如巖石；只要在里面配上幾根鋼筋，不管是梁、板，還是柱、墻，所有工作它自己就可以勝任。理論上講，只要設(shè)計(jì)合理、計(jì)算精準(zhǔn)，用混凝土蓋房子，可以想蓋多高蓋多高、想蓋多少層蓋多少層。

  （左邊是水泥，它加了砂子、石子和水之后才叫混凝土，可不要搞錯了。）

  而這一切“現(xiàn)代科技的奇跡”，本質(zhì)上都來自于這種灰色粉末——水泥的硬化性能。那你有沒有想過，水泥為什么會硬呢？

  （二）從成分上來說，“水泥”究竟是什么？

  我們一般見到的水泥又稱硅酸鹽水泥。從化學(xué)上講，它的主要成分是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，以前兩者為主。

  可見，水泥中最重要的組分是兩種：一是鈣，二是硅。相應(yīng)地，水泥由兩類原料共同燒制而成：一是石灰石，也就是碳酸鈣；二是黏土類礦物，也就是硅的提供者。在1450℃的高溫下，石灰石分解成了氧化鈣與二氧化碳，其中二氧化碳排出，氧化鈣又繼續(xù)與黏土類礦物在高溫下反應(yīng)、融合，形成了有膠凝性能的材料，這種被高溫“做熟了”的材料被形象地稱為“熟料”。

  （這些像石頭一樣的東西就是水泥熟料）

  這些熟料隨后被大功率的鼓風(fēng)機(jī)極速冷卻下來。這樣，在高溫下不穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)就被保持了下來。只有保持了活潑的微觀結(jié)構(gòu)，水泥才有水化活性，未來才可以和水反應(yīng)、凝結(jié)硬化。如果冷卻的速度慢，水泥內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)就會逐漸變得規(guī)律起來，硅原子之間的結(jié)合就會變得十分穩(wěn)定，穩(wěn)定到了極致就成了最惰性的東西——砂子。驟冷之后，這些熟料被磨碎成幾微米到幾十微米粗細(xì)的粉末，并添加少量的石膏以控制其反應(yīng)時間。

  （水泥顆粒的微觀形貌，看起來就像是光滑的小石子）

  這樣，水泥的生產(chǎn)就算完成了。

  （三）一個研究了上百年的問題：“水泥”為什么會硬？

  關(guān)于這個問題，成百上千的科學(xué)家已經(jīng)研究了上百年，在細(xì)節(jié)上至今仍有爭議。但其基本過程已經(jīng)形成了共識?？偟膩碚f，水泥的水化，就像是一群刺猬，從光滑的肉球中長出了刺，然后依靠這些“刺”互相扎在一起。只不過，這些刺猬只有幾微米大，它們的刺更是只有幾個納米。所以，從宏觀上看，就是一塊天衣無縫的堅(jiān)硬巖石了。

  （水泥的膠結(jié)機(jī)理就類似于這些扎在一起的蒼耳）

  在施工之前，我們將水泥與水，還有一些砂子石子拌在一起（通常是1份水、2-3份水泥）。砂子和石子基本不參加反應(yīng)，硬化主要靠水泥與水。在水泥粉末剛剛與水接觸時，表面會發(fā)生些許的溶解，顆粒中的鈣離子溶解進(jìn)水中，形成強(qiáng)堿性的溶液。在堿性溶液的刺激下，水泥顆粒表面那些比較活躍的硅氧鍵就會斷裂，硅元素也進(jìn)入溶液中，并與水結(jié)合。

  （水泥中最不活躍的硅氧鍵就屬于這種石英。無論你用多么強(qiáng)的堿去刺激它，它也絕對不可能溶解）

  短短幾個小時過去，水中的鈣、硅濃度都變得相當(dāng)高。這時，它們就會結(jié)合形成無數(shù)個水化硅酸鈣（C-S-H）小顆粒覆蓋在水泥的表面，形成一個C-S-H薄殼。在接下來的幾個小時里，水泥顆粒逐漸溶解、縮小，開始離這層薄殼越來越遠(yuǎn)；而構(gòu)成這層薄殼的無數(shù)小顆粒就像無數(shù)顆種子，細(xì)長的C-S-H纖維以此為起點(diǎn)，不僅向外生長，也向內(nèi)生長。向內(nèi)生長的纖維將水泥顆粒與薄殼緊密相連，向外生長的纖維則將不同的水泥顆粒聯(lián)結(jié)在一起。

  （水泥水化的微觀過程，可以看到水泥顆粒與外面的一層殼）

  隨著時間的進(jìn)展，水泥與水逐漸消耗了，而這些纖維之間的聯(lián)結(jié)越來越緊密，最后形成了一個堅(jiān)實(shí)的整體，即使在電子顯微鏡下也分不清彼此了。這時的產(chǎn)物被稱為“水泥石”。在我們看到的尺度上，就是水泥“凍硬了”。而隨著水的消耗，水泥漿黑色的外表也逐漸褪去，變成了灰白色。再經(jīng)過必要的養(yǎng)護(hù)，這塊混凝土就算是可以用啦。

  （水泥形成強(qiáng)度的過程，帶“毛刺”的水泥顆粒相互搭接在一起）

  （新拌混凝土和硬化的混凝土）

  （四）其實(shí)，“水泥”是一種“有生命的材料”

  短短一周時間，稀泥一樣的混凝土就可以像石頭一樣為我們負(fù)擔(dān)起大樓和路面的重量了。但其實(shí)，外表平靜的混凝土，內(nèi)部的反應(yīng)仍未停止。

  隨著水泥顆粒越縮越小，水分與水泥顆粒開始被水化產(chǎn)物——這些越來越致密的C-S-H纖維所隔絕。水泥顆粒有大有小，越大的水泥顆粒，剩的越多：對于那些10微米以下的小顆粒，一個月內(nèi)可以完全反應(yīng)完，轉(zhuǎn)化成有強(qiáng)度的水泥石；而20微米的顆粒，中間就要剩下54%未反應(yīng)；而那些60微米以上的水泥顆粒就非常可憐了，超過90%的部分都未參加反應(yīng)。因此，許多水泥廠家為了避免這種“浪費(fèi)”，就將水泥磨得盡可能細(xì)，把大顆粒也打碎，這樣既增加了水泥的利用效率，又提高了強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上還可以降低水泥用量，節(jié)約成本。一舉多得，豈不美哉？

  然而，這些大顆粒未反應(yīng)的水泥真的是無用的嗎？并非如此。

  在使用過程中，由于外界荷載、自身老化等原因，材料都會產(chǎn)生各種各樣的裂紋和缺陷，進(jìn)而影響性能。

  對于一般的材料，性能一旦下降，不論再怎么維護(hù)，都最多只能保持現(xiàn)在的狀態(tài)，不可能像人一樣，生了病可以被醫(yī)生“治好”。

  但是混凝土不一樣，在它出現(xiàn)了裂縫之后，空氣中的水分就會進(jìn)入混凝土中，這時，那些原本沒反應(yīng)的大顆粒水泥就派上了用場。它們被裂縫暴露出來，與水分反應(yīng)，進(jìn)而讓裂縫愈合?；炷恋摹安　笨梢员凰约褐魏茫粌H能控制裂縫發(fā)展，甚至能恢復(fù)到更好的狀態(tài)，是不是很神奇？有些五十年代建好的建筑，當(dāng)時的強(qiáng)度不高?？墒橇嗄赀^去了，現(xiàn)在的強(qiáng)度卻發(fā)展到了頂峰。這背后正是這些大顆粒水泥在起作用。

  而將水泥顆粒磨得太細(xì)，雖然當(dāng)時的強(qiáng)度上去了，但是過后，用這種水泥拌合的混凝土就很難擁有上面介紹的這種自愈能力。從這個角度看，混凝土就像是有生命的，它有自己的出生、成長、強(qiáng)壯、衰老和死亡的過程，生了病還可以“治療”。一塊混凝土如果在早期強(qiáng)度成長的太快，那么后期就會難以為繼，甚至發(fā)生“早衰”，過早地發(fā)生強(qiáng)度下降，甚至退出工作。是不是很像人的一生？

  下次早晨起床，記得要和你的房間打聲招呼哦。