地球上最常用的人造建筑材料不是鋼鐵、塑料，或鋁——而是混凝土。幾千年前我們就用它建造文明，但隨后制造水泥的知識(shí)遺失了。這里講述我們?nèi)绾伟l(fā)現(xiàn)混凝土、又遺忘它、然后最終破解它為何如此強(qiáng)大的奧秘。
我們一想到混凝土，我們一般會(huì)想象白色的路面、游泳池，和建筑地基。我們大多數(shù)人都不會(huì)意識(shí)到混凝土的熾熱火山起源故事，或混凝土是一項(xiàng)千億美元的生意。事實(shí)上，它是這個(gè)星球上僅次于水使用最廣泛的材料。今天按噸計(jì)，你們?nèi)祟?lèi)使用混凝土比鋼鐵、木材、塑料和鋁的總合還多。
兩千多年前，在羅馬帝國(guó)全盛時(shí)期，港口城市波佐利是軍事和商業(yè)的中心。每天有船從那里開(kāi)出，滿載著谷物、鐵、武器，和火山灰，這是在附近的坎皮佛萊格瑞(Campi Flegrei)超級(jí)火山形成的灰色火山砂。
為什么羅馬人要把火山噴發(fā)物出口到已知世界的偏遠(yuǎn)角落？因?yàn)檫@種砂子碰巧很特殊。和水混合時(shí)，它會(huì)形成一種砂漿，強(qiáng)硬得足以把石塊結(jié)合到一起變成一種不透水的承重材料。如羅馬哲學(xué)家塞涅卡指出的那樣，“波佐利的塵土遇到水就變成石頭?！睕](méi)有人知道為什么。
純粹是靠運(yùn)氣，羅馬人在一座天然水泥廠之上建造起一座城市。事實(shí)證明，火山灰是二氧化硅和石灰的混合物，這是水泥的三種關(guān)鍵成分之二(第三種是水)。直到今年一位斯坦福地球化學(xué)家才弄清這種不尋常的火山灰是怎樣形成的。
坎皮佛萊格瑞的火山口內(nèi)部深處填充著石灰石，它是一種質(zhì)軟易碎的由碳酸鈣構(gòu)成的巖石。由于地?zé)峒訜岬乃疀_刷火山口的石灰石壁，觸發(fā)了一種脫碳酸鹽化反應(yīng)，釋放二氧化碳，留下氫氧化鈣，又稱(chēng)熟石灰。描述這個(gè)過(guò)程的反應(yīng)如下：
CaCO3 (石灰石) + 熱 + H2O > Ca(OH)2 + CO2
在坎皮佛萊格瑞內(nèi)部循環(huán)的地?zé)崃黧w把一些石灰?guī)У降乇砀浇?，在那里它與富含二氧化硅的火山灰結(jié)合形成一種不透水的水泥樣冠巖，但最終火山內(nèi)部積聚了足夠壓強(qiáng)，導(dǎo)致冠巖彎曲破裂。當(dāng)它發(fā)生時(shí)，形成水泥的同樣成分作為火山灰一噴沖天。
地球化學(xué)家Tiziana Vanorio懷疑羅馬人首先看到火山灰在坎皮佛萊格瑞周?chē)暮Ｋ杏不蔀樗?。他們改?dòng)這一自然過(guò)程，混入小塊浮石——過(guò)熱巖漿快速冷卻時(shí)形成的多孔火山巖。就這樣，羅馬混凝土誕生了。它成為了古代世界的標(biāo)志性建筑材料，它也是包括獸場(chǎng)和帕臺(tái)農(nóng)神廟在內(nèi)的許多羅馬構(gòu)造物存在到今天的原因。
羅馬帝國(guó)陷落后，混凝土制造的記憶被完全遺忘。數(shù)世紀(jì)后它逐漸恢復(fù)，但一直到1824年Joseph Aspdin研發(fā)和專(zhuān)利了硅酸鹽水泥，才又廣泛流傳。
而Aspdin的水泥里的主要成分則是硅酸鈣，通過(guò)在火爐里把石灰石和富含二氧化硅的粘土加熱到約600°C形成。而坎皮佛萊格瑞火山數(shù)千年來(lái)一直都在這樣做。
今天硅酸鹽水泥簡(jiǎn)直是在字面意義上把世界粘在一起的膠水，形成混凝土、砂漿、灰泥和水泥漿的基礎(chǔ)。羅馬帝國(guó)之后的主要?jiǎng)?chuàng)新是加入了鋁和鐵的氧化物，這增加了強(qiáng)度并使硅酸鈣在較低溫度形成。
這里是硅酸鹽水泥熟料(水泥的干粉版本)的一般配方。配比隨應(yīng)用變化，取決于水泥所需的材料性能。
混凝土實(shí)際上是一團(tuán)亂糟。我就省下百科全書(shū)細(xì)節(jié)，就挑幾個(gè)我認(rèn)為值得知道的重要、有趣和未來(lái)的變種。不過(guò)記??！混凝土不僅僅是水泥，這是事情變得有點(diǎn)復(fù)雜的地方。在現(xiàn)代我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量添加劑，取決于你想要建造高速立交橋、水壩、水庫(kù)、跑道、船舶或建筑而使用，有添加劑能增加混凝土的導(dǎo)電性、強(qiáng)度、延展性和耐酸腐蝕性，有化學(xué)緩凝劑減慢混凝土的水合反應(yīng)，速凝劑加快反應(yīng)，有增塑劑使其更容易操作，還有緩蝕劑、色素、裝飾石料和貝殼。
鋼筋強(qiáng)化的混凝土樁Image via Shutterstock
混凝土的抗壓強(qiáng)度很高，這意味著它能承受很高的重量而不被壓垮。這使之成為建筑和路基的優(yōu)秀材料。但混凝土的抗拉強(qiáng)度很差。它一旦被彎曲，就裂了。這對(duì)于橋、梁、柱就不行了。為了提高混凝土的延展性，我們?cè)谒糖凹尤脘摻?、玻璃或塑料纖維。這叫做強(qiáng)化混凝土。
羅馬人也差不多明白這一點(diǎn)。他們?cè)?jīng)往混凝土里加入馬毛來(lái)防止它在硬化時(shí)開(kāi)裂。
大多數(shù)混凝土形成不透水表面，意味著水淋上去就會(huì)流走。而透水混凝土，也叫做多孔路面卻正相反——其較大顆粒能讓降雨一路滲透到地下。這實(shí)際上是個(gè)非常好的主意，因?yàn)椴煌杆砻嬖斐沙鞘蟹e水，也增加中水污染。透水混凝土未來(lái)將成為可持續(xù)性基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的重要部分。
當(dāng)你以高能混合水泥、砂、和水時(shí)，顆粒開(kāi)始超快速到處飛濺，互相碰撞和崩解。最終，你得到一種微細(xì)納米顆粒的混合物。這叫做納米混凝土。由于其非常小的粒度，納米混凝土由很高的表面積和體積比，這允許它比常規(guī)水泥吸收多很多的水。更多的水意味著更柔軟、更輕的材料，能用來(lái)鑄造小的建筑細(xì)節(jié)和裝飾物，比如這塊版：
納米混凝土目前并沒(méi)有廣泛使用，但在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境角度上來(lái)說(shuō)它很有意思。把混凝土水合出翔來(lái)讓你把這種材料鋪得更大，最終能削減其單位碳排放(生產(chǎn)硅酸鈣涉及的加熱過(guò)程在我們的全球碳排放中占到高達(dá)7%)。嘿，只要它不至于跪了，看起來(lái)就不錯(cuò)。
這果斷是我最喜歡的混凝土類(lèi)型。也可能是曾經(jīng)想象出的最酷材料之一。某些細(xì)菌，包括Bacillus pasteurii，Bacillus pseudofirmus和Arthrobacter crystallopoietes在一種稱(chēng)為生物礦化的過(guò)程中積極地在其細(xì)胞周?chē)练e礦物質(zhì)晶體。
這些礦物質(zhì)和糖、蛋白質(zhì)分泌物一起形成一種高強(qiáng)膠水。幾年前，一些機(jī)智的科學(xué)家們一拍腦袋想到這些生物礦化微生物可能幫助我們打造更強(qiáng)、更耐腐蝕、甚至也許能自我愈合的混凝土。
目前的研究結(jié)果很有希望。如果這種技術(shù)最終起飛，未來(lái)的基礎(chǔ)設(shè)施在字面意義上會(huì)是活的。
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