【轻集料混凝土容重】建筑材料系列—混凝土的过去与现在

众所周知，混凝土由三种材料构成:沙石、水泥和水，是如今应用最为广泛的建筑材料之一，而混凝土优秀的品质保障则来源于三种材料正确的比例搭配，当然有时还需要必要的添加剂。

一、混凝土的过去

公元前7000年，以色列人在建造加利利城时，发现将煅烧的生石灰与沙子混合，通过在空气中硬化后可以形成一种坚固的建筑材料，于是他们用这种方式制造了建筑的地板。经过9000多年风吹雨打，建筑主体结构早已坍塌殆尽，可古老的“混凝土”地板依然存在。

在距今4000多年的古埃及第三王朝时期，古埃及人建造了一个阶梯金字塔。与我们熟悉的由巨石堆砌而成的胡夫大金字塔不同，这座阶梯状金字塔虽然主体用石块搭建，但在石块外层覆盖了石灰，并在金字塔内部用石膏加固。于是，这座用复合材料建造的金字塔虽然远不如用巨石搭建的胡夫金字塔高大，但有了原始“混凝土”的加持，其阶梯状结构外观并没有随着时光流逝而发生太多改变。

之后混凝土的历史可以追溯到两千多年前的罗马时代，也被称为罗马混凝土，与现在的波特兰混凝土的制造不同，罗马人很幸运，不用亲自调配不同比例的岩石并高温灼烧，因为拿坡里附近一个叫作波佐利的地方就有现成的水泥。这项在当时绝无仅有的技术的出现不仅让建筑师的想象可以尽情驰骋，同时也为罗马帝国带来了实实在在的好处。因为这可以让罗马帝国在任何地方都兴建港口，也能修建沟渠和桥梁以把物资高效地运往任何有需要的地方。

在古罗马残留的遗迹中我们看到，坍塌的砌块牢牢的连接在一起，如果将砌块比作粗骨料，这算是古代混凝土的雏形。罗马最宏伟的混凝土建筑就在首都——罗马万神殿的圆形穹顶。

由于采用了天然火山灰水泥，古罗马混凝土比现代混凝土的耐久性更好，即使经历了两千年风霜雨雪仍坚固、完好。

不过一个吊诡的现象是罗马万神殿的穹顶没有因为罗马帝国的衰落而消失，但混凝土却随着罗马帝国的衰落而销声匿迹了——古罗马停止使用混凝土后，一千多年内都未曾出现过此建筑材料。这个现象出现的原因至今仍是个谜，答案众说纷纭。

在1759年，斯密顿设计并建造了用花岗岩和混凝土构成的灯塔，即埃迪斯顿灯塔。在修建灯塔时意外发现，把黏土和石灰石以适当的配比混合后煅烧(类似火山灰形成的过程)，可以达到很高的强度。耸立至今的灯塔是当时伟大的工程奇迹，也是现代意义上的混凝土第一次投入使用。

John Smeaton修建的灯塔

1824-1840年，Joseph Aspdin和William Aspdin父子，总结出用石灰、黏土、矿渣等配比混合煅烧成“水泥”的方法。由于水泥硬结后的颜色和强度，与英国波特兰岛上天然石材差不多，人们便称它为“波特兰水泥”(即普通硅酸盐水泥)。

“波特兰水泥”最早的一次大规模应用，是建造了穿越泰晤士河河底的隧道。法国和德国分别在1840年和1855年建设了水泥制造厂。随后水泥在世界各地迅速推广使用。

1849年，法国园丁Joseph Monier将铁丝与混凝土结合，制作花盆，解决了混凝土抗拉强度低的问题，这便是世界上第一个钢筋混凝土建材并在1867年的巴黎博览会上展示了他的新发明。可别小看了这个花盆，它的出现给钢筋混凝土运用于建筑领域提供了灵感。这个尝试如今被证明是无比成功的。此后，他又陆续发明了铁筋混凝土管道、水箱、幕墙板，并在1875年设计了第一座铁筋混凝土桥。

第一座铁筋混凝土桥,Chazelet

Joseph Monier成功的背后有两个不得不提的“巧合”。

一是硅酸钙原纤维不仅能够吸附砖头和石子，与钢筋的键合强度竟然也相当之大。要知道万一钢筋与混凝土犹如水见了油一般，两者的相对位置便无法固定，也就没办法实际应用了。

二是材料不是一成不变的，而是会随着温度的变化热胀冷缩，如果混合材料中的两种组分膨胀系数相差过大，很容易导致裂缝的产生，久而久之也会导致建筑结构崩塌。当时的工程师大都认为钢和混凝土的材质相差太大，胀缩率必然不同，很可能导致结构解体，故而没人愿意尝试。但事实上令人惊奇的是这两种材料的胀缩率几乎完全相同，这使得它们随时都处在无缝对接的状态。

1883年－1885年，“芝加哥国内保险公司大楼”在美国芝加哥落成。这是世界上第一幢钢筋混凝土结构建筑，也标志着现代混凝土发展进入了快车道。

法国工程师Francois Hennebique受到Monier的启发，将这种材料组合应用到建筑领域，他在1892年发明了全套的铁筋混凝土建筑建造系统，立刻引起了当时土木工程界的震动。

在钢(铁)筋混凝土应用于建筑领域不久，1888年美国工程师P.H.杰克孙提出了预应力混凝土的概念，但最初的尝试并不成功。低强度的钢(铁)筋限定了预应力值，而较小的预应力很快在混凝土徐变、收缩后而全部损失。

二、混凝土的现在

20世纪初，钢筋混凝土的设计理论仍尚不成熟。一批杰出的工程师，凭借着敏锐结构直觉，创作出了形态优美的钢筋混凝土作品，让人们认识到了钢筋混凝土的潜力。之后，借着第二次世界大战战后重建的机会，混凝土成为了主流的结构工程材料。

瑞士Salginatobel 三铰拱桥，马亚尔，1930年

Robert Maillart马亚尔 (1872～1940)是混凝土结构实践的先驱。在混凝土刚刚兴起的年代，他设计出无梁楼盖、蘑菇形柱帽，以及堪称完美的混凝土三铰拱桥，赋予了混凝土结构灵性和活力。

钢筋混凝土桥梁配筋详图,马亚尔,1910

混凝土空间结构(仓库),马亚尔,1923-1925

奠定了预应力混凝土理论基础的E .Freyssinet (1879～1962)，同时也是工程实践的开拓者。他设计了包括自锚悬索桥、混凝土拱桥、预应力混凝土梁桥等大量作品（国际混凝土结构联合会颁发的结构混凝土奖章以Freyssinet的名字命名）。

钢筋混凝土悬链拱结构,机库, E .Freyssinet

预应力钢筋混凝土技术被认为是混凝土发展过程中最重要的进步之一，它创造了一种理想的材料结合。

1928年法国工程师E .Freyssinet提出必须采用高强钢材和高强混凝土，以减少预应力损失的影响，他率先应用了极限强度1725MPa的高强钢丝。之后，E .Freyssinet和G .Magnel分别发明了锥形锚具和麦式锲形锚具，用于后张法预应力工艺。E .Hoyer 则研究出不靠锚具的先张法工艺，用于在工厂生产小型的预应力混凝土构件。

1950年，国际预应力混凝土协会FIP成立，借着战后重建的机会，预应力混凝土结构大量代替钢结构，推动了其理论和技术的蓬勃发展。

1956年，林同炎先生完成了经典著作《预应力混凝土结构设计》一书，提出“荷载平衡法”理论，把预加应力看作是构件上试图与外荷载平衡的另一种荷载，简化了预应力结构的分析。他将预应力理论在众多桥梁作品中实践，获得“预应力先生”的美誉。

莫斯康会议中心的地下展览厅,林同炎,1981年

现代预应力桥梁

被称为“混凝土诗人”的奈尔维说：“钢筋混凝土像是一种可以抗拉的人造超级石材，工艺简单、造价低廉，几乎可以无限制地生产。混凝土以一种半流质状态，可以浇筑成任意的形状…混凝土的自由形态和整体性，使得它既能符合建筑师的感性、又能追随力学的法则。

随着高层建筑的增加和劳动力成本的上升，人们逐渐发现，混凝土也没有那么“万能”了。大楼越盖越高，也要求混凝土的强度越来越大。要想混凝土强度高、重量轻，就要少加水。可是加水少了，混凝土又搅拌不开，形成孔洞，严重影响建筑的安全。这可怎么办呢？

针对这一问题，“减水剂”就应运而生了。在混凝土中加入“减水剂”，通过让混凝土中水泥颗粒带上同种负电荷，使颗粒相互排斥脱离，从而增强了混凝土的流动性。这样一来，混凝土就“变稀”了。

通过“减水剂”技术，混凝土可以像水一样流动，也可以通过管道运输，并通过“泵送”技术沿着管道传递到百米高空。至此，城市建设告别了让工人用小桶运输混凝土的时代。

除了减水剂，混凝土中的麻烦事儿还多着呢。水泥和矿物掺和料的比例和种类会影响混凝土的强度、凝结时间和流动性。就连我们以为“只是占个地方“的砂子和石子，也必须满足良好的级配。如果石子的尺寸稍有不对，那么即使减水剂用得再多再好，由于石子之间的阻力，混凝土也很难泵得动。这些恼人的问题伴随着混凝土技术的发展始终存在。

泵送混凝土看起来酷炫，用起来麻烦事多着呢！泵送混凝土是用混凝土泵或泵车沿输送管运输和浇筑混凝土拌合物。是一种有效的混凝土拌合物运输方式，速度快、劳动力少，尤其适合于大体积混凝土和高层建筑混凝土的运输和浇筑。从1907年开始就有人研究混凝土泵，1932年荷兰人J.C.库依曼制造出卧式混凝土缸的混凝土泵，有了实用价值。第二次大战后在欧美得到推广。50年代中叶联邦德国研制了液压操纵的混凝土泵，工作性能大大改善。60年代中叶又研制了混凝土泵车，机动性更好。中国在50年代就应用混凝土泵，但大规模应用是从1979年在上海宝山钢铁总厂工程上开始，此后在中国的高层建筑上得到推广。1986年上海的商品混凝土已有86%是泵送的。混凝土泵分挤压式泵和活塞式泵，多用后者。根据混凝土泵能否自己行驶又分固定式、拖式和混凝土泵车。后者能自己行驶，便于转移工地，车上还装有三节能伸缩或屈折的布料杆，能将混凝土拌合物直接运至浇筑地点，施工十分方便。活塞式泵主要由料斗、液压缸和活塞、混凝土缸、分配阀、丫形管、冲洗设备、动力和液压系统等组成。其中分配阀是重要部件，有各种型式，其中闸板式、管式性能较好，应用较多。

从21世纪开始，发达国家的建设逐渐停了下来，而中国超高层建筑的建设则开始了井喷式的发展。仅2016年一年，中国就建成了84栋200米以上的高楼。这样，解决高性能泵送混凝土各项“疑难杂症”的重任就落在了中国工程师们的头上。

　　泵送混凝土的凝结时间是施工的重中之重。对此，国内建材企业投入大量精力开展对混凝土外加剂的研究。目前，新型的外加剂早已不是过去那种单纯的减水剂了，而是集减水、缓凝、引气等功效于一体的高效外加剂。混凝土强度需要多强、要泵多高，甚至罐车到工地要多久，都可以考虑在内，进而调整外加剂的种类和用量。

　　此外，不起眼的骨料也是研究的重点。高性能的混凝土绝不是随便用些石子就可以的，而是大石子、中石子、小石子按比例混合，级配优良，并与砂子的尺寸无缝衔接。这样可以最大限度地提高流动性、减小浆体的用量和对泵管壁的磨损。

可以流动的混凝土不仅为建筑施工提供了便利，也给“装配式建筑”的发展提供了机遇。通过成批浇筑混凝土构件，再将它们像积木一样拼接在一起，可以减少现场浇筑作业时间，也极大限度地避免了资源的浪费。

除此外，高强混凝土、高性能混凝土、抗渗混凝土、微膨胀混凝土、低水化热混凝土、低活性混凝土、加气混凝土、轻质混凝土、早强混凝土、超高泵送混凝土、纤维增强混凝土等纷纷大显身手。

高强混凝土与普通混凝土强度

下面让我们一起认识几种重要的新型混凝土吧。

超高性能混凝土

混凝土材料的改良一直都是建筑材料学家热切关心的问题，其中对于超高性能混凝土（UPHC）的研究应用，可以说是当今水泥基材料发展的主要方向之一。UPHC是指抗压强度在150MPa以上，具有超高韧性、超长耐久性的纤维增强水泥基复合材料的统称。UHPC材料组分内不包含粗骨料，颗粒粒径一般小于1mm。UHPC中分散的钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展，从而使材料表现出超高的韧性和延性。UHPC具有致密的微观结构，几乎是不渗透性的，具有很强的抗渗透、抗碳化、抗腐蚀和抗冻融循环能力，其材料的耐久性根据研究表明可达200年，从而大幅度地提高了混凝土的使用寿命。可以说它已经成为当今国际上最具创新性和实用性的水泥基复合材料，国内外学者对它展开了深入的研究。目前UHPC已经在桥梁工程中得到了广阔的应用，众多的桥梁工程将UHPC应用于主梁、拱圈、华夫板、桥梁接缝和旧桥加固等多个方面。

普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料性能对比

世界上第一座UHPC桥——加拿大Sherbrooke桥

再生混凝土

再生混凝土是将工地上或者施工过程中一些不用的废弃混凝土块经过破碎、清洗等步骤之后，再按照一定的比例与级配合，部分甚至全部代替砂石等天然骨料，再加入水泥、水等就可以配制成新混凝土了。这种新型混凝土的出现不仅仅解决了废弃混凝土如何安置的难题，更能让资源回收充分利用，节约成本，是节能环保的好材料。

再生混凝土公共座椅

透水混凝土

透水混凝土以其特殊的构造及组成材料轻松解决城市排水难题，其以骨料、水泥、增强剂和水拌制作而成。它还具备透气、透水及重量轻等特点，使得它在城市雨水管理和水污染治理方面功不可没。除了排水透气等特点，透水混凝土还具有减缓径流、再利用雨水等功能。

透水混凝土构造

清水混凝土

即装饰混凝土，它所带来的厚重感和清雅感使得他被越来越多的建筑大师在设计中所大量使用。绿色建筑理念深入人心，清水混凝土的应用随之广泛，它散发出的独特魅力也让更多的人被吸引。

清水混凝土清雅画室

自愈混凝土

自愈混凝土就是拥有和人类类似的特性的一种新型混凝土，即拥有破碎之后能够自行“修复愈合”的功能。而混凝土作为当今社会中使用最广泛的建筑材料之一，其不足之处就是很容易出现裂缝。它包含有可生产石灰石的休眠的细菌孢子和细菌生长所需要的养分，通过作用于结构的腐蚀性雨水渗入加以激活，以期对混凝土开裂部分进行局部填充。混凝土结构失效的主要原因是微裂缝的扩展，自愈混凝土的主要性能便是能够在混凝土产生裂缝后做出反应自行愈合，这种新材料不仅可以提高混凝土的使用寿命，更能有效降低节约混凝土结构中的维护成本。

自愈混凝土材料

以上文章分别部分摘录于：

1.知识地图局 《炫彩化学篇》之—混凝土的前世今生：世界上最便宜又最好用的建筑材料，作者：危樯夜舟

2.中国建设报 《混凝土的前世今生》，作者：李睿明

3.砼享未来闻宝联技术空间 《混凝土的来世今生》，作者：须臾千秋

4.iStructure《结构材料系列—钢筋混凝土》，作者：鼓手

5.非解构《继往开来——混凝土的前世今生》，作者：我自朝来我随暮去

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