水泥:創(chuàng)新發(fā)展 改變?nèi)祟惿?/h1>
北京建筑工程學(xué)院土木與交通工程學(xué)院教授 · 2012-08-08 00:00 留言

  倫敦奧運會開幕式向世界展示了一幅工業(yè)革命的場景,數(shù)根巨型的煙囪在場地中央拔地而起,這是人類生產(chǎn)力大躍升的時代。而現(xiàn)代水泥,正是從第一次工業(yè)革命起步,并深刻改變了我們的生活。

  無論城市還是鄉(xiāng)村,無論摩天大廈還是普通民居,我們這個世界越來越為水泥混凝土所塑造。

  一座座長虹般的大橋,將密西西比河、長江天塹變通途;一條條巨蟒似的海底隧道,讓英法、歐亞水下聚首。正是水泥將砂、石、鋼筋膠結(jié)得如磐石一樣堅強;水泥混凝土鑄成的鐵路、公路,延時了城市的喧囂,讓現(xiàn)代的氣息蔓延推廣。

  我國鐵道科學(xué)研究院前輩學(xué)者郭成舉先生,曾這樣贊美水泥:女媧未許補殘?zhí)?,棄置荒秋?shù)萬年。一朝尋來靈丹藥,敢叫世界換容顏。

  原始“水泥”離不開火山灰

  古羅馬神殿屹立2000年

  古埃及和古希臘的高大建筑,都是由石頭直接疊壓搭建起來的。但古羅馬則不同,他們的建筑得以留存至今,其中的重要秘密是使用了一種膠凝材料。

  英國學(xué)者西蒙・亞當(dāng)斯在《揭秘古羅馬》一書中說,古羅馬人發(fā)明了一種專門用于水下工程建設(shè)的膠凝材料,主要應(yīng)用于建造碼頭與水渠等工程。古羅馬人掌握了這項技術(shù)之后,就能夠構(gòu)造非常龐大的建筑。

  大約在公元前200年,古羅馬人發(fā)明了世界上最早的混凝土,在意大利半島經(jīng)常有火山爆發(fā),會噴出大量的火山灰,而火山灰里含有很多具有活性的氧化鋁和氧化硅。當(dāng)這些火山灰與石灰、砂子和水混合的時候,能夠發(fā)生一種奇特的化學(xué)反應(yīng),這些離散的像泥漿一樣的東西,就會固結(jié)成為非常堅硬的固體狀態(tài),就像今天的水泥和混凝土。當(dāng)然,古羅馬人使用火山灰加石灰作為膠凝材料,和我們今天的水泥并不同。

  據(jù)記載,古羅馬人曾經(jīng)掌握使用含黏土的石灰石燒成羅馬水泥的技術(shù),但從4世紀(jì)到17世紀(jì)的一千多年間,羅馬水泥技術(shù)似乎失傳。在此期間,公元5世紀(jì)的中國南北朝時期,出現(xiàn)了“三合土”,它由石灰、黏土和細(xì)砂所組成。以現(xiàn)代人眼光看,“三合土”也就是以石灰與黃土或其他火山灰質(zhì)材料作為膠凝材料,以細(xì)砂、碎石和爐渣作為填料的混凝土?!叭贤痢苯?jīng)夯實后不僅具有較高的強度,還有較好的防水性。

  另外,用有機物拌和“三合土”作建筑物的工法,在史料中屢有所見。明代《天工開物》一書中記載:“用以襄墓及貯水池則灰一分入河砂,黃土二分,用糯米、羊桃藤汁和勻,經(jīng)筑堅固,永不隳壞,名曰三合土”。

  與第一次工業(yè)革命同步 英國人獲得水泥發(fā)明專利

  水泥的誕生,與第一次工業(yè)革命同步。

  水泥誕生的起點是埃迪斯頓燈塔的重新照亮。

  1756年,英國英吉利海峽南端的埃迪斯頓燈塔突然燒毀,嚴(yán)重影響了附近船只的航行。

  工程師史密頓受命用最快的速度重建。當(dāng)時,只有石灰石作建筑材料,燒成石灰后,將島上的石頭黏合起來重新砌塔。兩個星期后,石灰石運到了,史密頓竟發(fā)現(xiàn)這些石頭混有太多的土質(zhì)。用次品原料修建高標(biāo)準(zhǔn)的燈塔,這不是開玩笑嗎?

  時間來不及,史密頓“死馬當(dāng)做活馬醫(yī)”,將就著用這些劣質(zhì)的石灰石原料燒制石灰。然而,這種石灰居然將石塊黏結(jié)得異常的結(jié)實。燈塔一完工,史密頓就對這些石灰進行了檢驗。他意識到,這些石灰不純,其中含有20%的黏土。恰恰就是這些一向被人們視為雜質(zhì)的黏土,起了很好的作用。后來,史密頓在建筑修建工作中,有意識地把黏土同石灰石適當(dāng)?shù)呐浜希右造褵?,燒出來的石灰性能果然很理想?

  世界上第一個水泥的專利擁有者,是英國人阿斯普丁。當(dāng)史密頓燒石灰石的方法傳遍歐洲各國后,英國工匠阿斯普丁對此產(chǎn)生了興趣,開始進行深入地研究。他聯(lián)想到古羅馬人為增強石灰的黏結(jié)力,曾在石灰中加入火山灰的做法,由此產(chǎn)生了新的想法:火山灰是巖石高溫?zé)酆蟮漠a(chǎn)物,那么把陶器、磚瓦的屑片磨成細(xì)粉,是不是也跟火山灰差不多呢?阿斯普丁試了一下,發(fā)現(xiàn)效果不如火山灰。后來他又想到了煤高溫燃燒后的煤渣、煉鐵高爐里流出來的經(jīng)高溫冶煉的礦渣,是不是也有類似的功能呢?他一一進行實驗,結(jié)果證實了它們也具有火山灰特性。關(guān)鍵在于經(jīng)歷高溫,且是否急速冷卻。

  1824年,阿斯普丁在反復(fù)實驗的基礎(chǔ)上,總結(jié)出石灰、黏土、礦渣等各種原料之間的比例,以及生產(chǎn)這種混合材料的方法。于是一項偉大的發(fā)明誕生了,這就是今天被我們廣泛應(yīng)用的“水泥”。

  實際上,水泥的誕生是人類智慧的逐步深化:1756年發(fā)現(xiàn)水硬性石灰、1796年發(fā)明“羅馬水泥”、1822年出現(xiàn)“英國水泥”,直到1824年英國政府發(fā)布第一個水泥專利。

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  “人造石頭”不斷革新 鋼筋混凝土改變?nèi)祟惿?/strong>

  美國發(fā)明家愛迪生一生共獲得1093項專利。很多人只知道他是電燈泡的發(fā)明者,但并不清楚愛迪生在水泥的推廣上也做出了重要貢獻。愛迪生認(rèn)為,水泥可以用來給老百姓建造既結(jié)實又廉價的住房,“如果建筑不用鋼筋混凝土,而用磚塊和鋼鐵,那建筑師肯定是太愚蠢了”。

  但起初,人們對水泥并不太接受。

  1855年巴黎世博會上,法國工程師拉姆波特展出了一條小巧的水泥船,2英寸厚的殼體中布滿網(wǎng)狀鐵絲。這是“鋼筋水泥混凝土”最早的亮相,可惜只有英國海軍用他的技術(shù)在土倫港修建了一座浮標(biāo)。

  1867年的巴黎世博會,法國園藝師莫尼爾展出了一只鐵絲骨架的水泥花盆。

  此后,“鐵水泥混凝土”這一搭檔的出現(xiàn),鋼鐵具有極強的“抗拉”性能,正好消除了水泥混凝土的“軟肋”,實現(xiàn)了完美的優(yōu)勢互補。可以說,沒有鋼筋混凝土的發(fā)明,就沒有現(xiàn)代高層樓房和大跨度場館。

  一種新事物的出現(xiàn),稱贊者有,懷疑者也一定會有。孰是孰非?只有等待檢驗的機會。然而,檢驗“混凝土”的機會很快就到來了。

  1929年,美國決定建造一座102層高的“帝國大廈”。富有科學(xué)預(yù)見的建筑師們,大膽地采用了“混凝土”結(jié)構(gòu)。一年零八個月之后,帝國大廈全部竣工。遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去,儼然像一根電線桿子。住在大廈周圍的許多人擔(dān)驚受怕:萬一這座摩天大樓被風(fēng)吹倒,或因自身搖擺而折斷怎么辦?

  1945年7月28日早晨,住在附近的人更是亂作一團。那時正值大霧天氣,一架轟炸機迷失了方向,撞在大廈的97層上,隨著震天巨響,不少人都以為是大廈倒塌下來,爭先恐后地往外跑。然而,這次相撞的結(jié)果是:飛機碎了,大廈并沒有倒,只是97層的一道邊梁和部分樓板被撞壞,一架電梯下落,11人死亡,25人受傷。

  從此,鋼筋混凝土建筑物名聲大震。

  直到今天,世界最高的迪拜大廈等建筑,依舊采取鋼筋混凝土建筑,其混凝土用量高達33萬立方米。

 

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