混泥土究竟是什么

地球上最常用的人造建筑材料不是钢铁、塑料，或铝——而是混凝土。几千年前我们就用它建造文明，但随后制造水泥的知识遗失了。这里讲述我们如何发现混凝土、又遗忘它、然后最终破解它为何如此强大的奥秘。

我们一想到混凝土，我们一般会想象白色的路面、游泳池，和建筑地基。我们大多数人都不会意识到混凝土的炽热火山起源故事，或混凝土是一项千亿美元的生意。事实上，它是这个星球上仅次于水使用最广泛的材料。今天按吨计，你们人类使用混凝土比钢铁、木材、塑料和铝的总合还多。

液体岩石

不像铝、钢或塑料，“混凝土”这个词汇指的不是一种单一材料。它可以代表任意数量的用某种粘结材料结合岩石或砾石而成的物质。

基本上，混凝土只是一堆石砾混合水和水泥，这些成分在一起形成岩石果冻，能被倒进模子做成你喜欢的任意形状。有时候，它被称为液体岩石。今天我们视其为理所当然，但在古代，当人们真的是在用巨大石块手工雕刻出建筑物时，我敢打赌像混凝土这样的材料简直就是魔法。

有证据表明人类摆弄混凝土已经有几千年了。但真正掌握了这门手艺的还是罗马人，而他们很可能是从火山中学来的。

降生于炽热火山

斗兽场是著名的罗马混凝土结构物。Image via David Iliff /

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两千多年前，在罗马帝国全盛时期，港口城市波佐利是军事和商业的中心。每天有船从那里开出，满载着谷物、铁、武器，和火山灰，这是在附近的坎皮佛莱格瑞(Campi Flegrei)超级火山形成的灰色火山砂。

为什么罗马人要把火山喷发物出口到已知世界的偏远角落？因为这种砂子碰巧很特殊。和水混合时，它会形成一种砂浆，强硬得足以把石块结合到一起变成一种不透水的承重材料。如罗马哲学家塞涅卡指出的那样，“波佐利的尘土遇到水就变成石头。”没有人知道为什么。

纯粹是靠运气，罗马人在一座天然水泥厂之上建造起一座城市。事实证明，火山灰是二氧化硅和石灰的混合物，这是水泥的三种关键成分之二(第三种是水)。直到今年一位斯坦福地球化学家才弄清这种不寻常的火山灰是怎样形成的。

坎皮佛莱格瑞的火山口内部深处填充着石灰石，它是一种质软易碎的由碳酸钙构成的岩石。由于地热加热的水冲刷火山口的石灰石壁，触发了一种脱碳酸盐化反应，释放二氧化碳，留下氢氧化钙，又称熟石灰。描述这个过程的反应如下：

CaCO3 (石灰石) + 热 + H2O > Ca(OH)2 + CO2

在坎皮佛莱格瑞内部循环的地热流体把一些石灰带到地表附近，在那里它与富含二氧化硅的火山灰结合形成一种不透水的水泥样冠岩，但最终火山内部积聚了足够压强，导致冠岩弯曲破裂。当它发生时，形成水泥的同样成分作为火山灰一喷冲天。

地球化学家Tiziana Vanorio怀疑罗马人首先看到火山灰在坎皮佛莱格瑞周围的海水中硬化成为水泥。他们改动这一自然过程，混入小块浮石——过热岩浆快速冷却时形成的多孔火山岩。就这样，罗马混凝土诞生了。它成为了古代世界的标志性建筑材料，它也是包括兽场和帕台农神庙在内的许多罗马构造物存在到今天的原因。

罗马帝国陷落后，混凝土制造的记忆被完全遗忘。数世纪后它逐渐恢复，但一直到1824年Joseph Aspdin研发和专利了硅酸盐水泥，才又广泛流传。

而Aspdin的水泥里的主要成分则是硅酸钙，通过在火炉里把石灰石和富含二氧化硅的粘土加热到约600°C形成。而坎皮佛莱格瑞火山数千年来一直都在这样做。

现代变种

今天硅酸盐水泥简直是在字面意义上把世界粘在一起的胶水，形成混凝土、砂浆、灰泥和水泥浆的基础。罗马帝国之后的主要创新是加入了铝和铁的氧化物，这增加了强度并使硅酸钙在较低温度形成。

这里是硅酸盐水泥熟料(水泥的干粉版本)的一般配方。配比随应用变化，取决于水泥所需的材料性能。

水泥 符号 质量%

氧化钙CaO C 61~67%

二氧化硅SiO2 S 19~23%

氧化铝Al2O3 A 2.5~6%

氧化铁Fe2O3 F 0~6%

硫酸盐 S 1.5~4.5%

不过记住！混凝土不仅仅是水泥，这是事情变得有点复杂的地方。在现代我们已经发现了大量添加剂，取决于你想要建造高速立交桥、水坝、水库、跑道、船舶或建筑而使用，有添加剂能增加混凝土的导电性、强度、延展性和耐酸腐蚀性，有化学缓凝剂减慢混凝土的水合反应，速凝剂加快反应，有增塑剂使其更容易操作，还有缓蚀剂、色素、装饰石料和贝壳。

混凝土实际上是一团乱糟。我就省下百科全书细节，就挑几个我认为值得知道的重要、有趣和未来的变种。

强化混凝土

钢筋强化的混凝土桩Image via Shutterstock

混凝土的抗压强度很高，这意味着它能承受很高的重量而不被压垮。这使之成为建筑和路基的优秀材料。但混凝土的抗拉强度很差。它一旦被弯曲，就裂了。这对于桥、梁、柱就不行了。为了提高混凝土的延展性，我们在它凝固前加入钢筋、玻璃或塑料纤维。这叫做强化混凝土。

罗马人也差不多明白这一点。他们曾经往混凝土里加入马毛来防止它在硬化时开裂。

58年布鲁塞尔世博会飞利浦馆 Image via Wouter Hagens / Wikimedia

透水混凝土

芝加哥施工中的透水混凝土停车场 Image via Flickr 大多数混凝土形成不透水表面，意味着水淋上去就会流走。而透水混凝土，也叫做多孔路面却正相反——其较大颗粒能让降雨一路渗透到地下。这实际上是个非常好的主意，因为不透水表面造成城市积水，也增加中水污染。透水混凝土未来将成为可持续性基础设施领域的重要部分。

纳米混凝土

当你以高能混合水泥、砂、和水时，颗粒开始超快速到处飞溅，互相碰撞和崩解。最终，你得到一种微细纳米颗粒的混合物。这叫做纳米混凝土。由于其非常小的粒度，纳米混凝土由很高的表面积和体积比，这允许它比常规水泥吸收多很多的水。更多的水意味着更柔软、更轻的材料，能用来铸造小的建筑细节和装饰物，比如这块版：

纳米混凝土装饰板 Image via Wikimedia

纳米混凝土目前并没有广泛使用，但在经济和环境角度上来说它很有意思。把混凝土水合出翔来让你把这种材料铺得更大，最终能削减其单位碳排放(生产硅酸钙涉及的加热过程在我们的全球碳排放中占到高达7%)。嘿，只要它不至于跪了，看起来就不错。

微生物混凝土

硅藻是生物矿化最漂亮的例子之一，在它们的微小身体周围沉积玻璃质外骨骼 Image via Wikimedia

这果断是我最喜欢的混凝土类型。也可能是曾经想象出的最酷材料之一。某些细菌，包括Bacillus pasteurii，Bacillus pseudofirmus和Arthrobacter crystallopoietes在一种称为生物矿化的过程中积极地在其细胞周围沉积矿物质晶体。

这些矿物质和糖、蛋白质分泌物一起形成一种高强胶水。几年前，一些机智的科学家们一拍脑袋想到这些生物矿化微生物可能帮助我们打造更强、更耐腐蚀、甚至也许能自我愈合的混凝土。

目前的研究结果很有希望。如果这种技术最终起飞，未来的基础设施在字面意义上会是活的。