这种材料人类用了9000多年，但你却未必了解

　　出品|网易新闻

　　作者|须臾千秋，清华大学土木工程博士

　　什么是人类历史上最伟大的材料？恐怕非钢筋混凝土莫属。小到我们住的居民楼，大到跨海大桥、摩天大楼、公路高铁……人类文明的每一个角落都充斥着混凝土。

　　一堆砂子、一堆石子、几袋水泥和一桶水，搅拌均匀，砌成你想要的形状，过几天就可以变得硬如岩石，无怪乎工程师们造了一个字：砼（tong2）来表示混凝土，人工石嘛！很生动形象有木有？

　　（左边是水泥，它加了砂子、石子和水之后才叫混凝土，可不要搞错了）

　　（一）混凝土的历史与人类文明一样久远

　　混凝土的使用要追溯到9000年前。在公元前7000年，以色列王国的加利利城就使用了简易的“混凝土”制作地板，当时的人使用煅烧的生石灰与砂子混合，在空气中缓慢硬化，最后居然也形成了强度。后来，罗马人又在这种材料的基础上加入了天然的火山灰，制造了表现更好的“混凝土”。正是用这种朴素的天然混凝土材料，罗马人修建了庞贝的大体积剧院、浴室和遍布城市的下水道。

　　（七千年前的以色列加利利城，地板使用的就是“水泥”）

　　不过，那时的人们并不清楚混凝土的原理，只是拿着天然的材料互相混合，质量也不稳定。随着古罗马帝国的衰亡，没有了庞贝火山天然的优质火山灰，这项技术也就失传了。

　　一直到1824年，英国的花匠阿斯普丁将石灰石与黏土混合煅烧，形成了我们当代人使用的水泥的前身，然而，用它制作的混凝土在当时并没有比其它建筑材料强多少，因此销路并不好。

　　在19世纪初，天然石材还是建筑材料的主流，而当时世界上最好的建筑石材产自波特兰。为了打开销路，商家动了个歪心眼：把当时的水泥起名为“波特兰水泥”，让人误以为它和波特兰石有什么关系，进而忽悠大家来买。

　　（与水泥并没有什么关系的波特兰石——除了颜色有一点像）

　　（二）在科学的加持下，混凝土一骑绝尘

　　尽管现代混凝土刚诞生的时候十分可怜，但随着科学的进步，混凝土开始逐渐发起了光。

　　1887年，法国科学家亨利发现了水泥的真实组分，接下来的几十年里，水泥水化形成强度的机理开始逐渐为人所知。掌握了原理，科学家们开始逐步改良水泥的烧制工艺，总结出混凝土的配比与强度规律，再依照规律，根据需求来选择合适的混凝土配比。

　　终于到了20世纪中叶，一个典型的建筑工地已经不再是小工一筐一筐地搬砖，然后瓦工一块一块地砌好；而是工人支好模板、拌好混凝土，捆扎钢筋笼，再将混凝土一股脑地倒上去，用振捣棒之类的东西来回振捣密实，最后抹平。相比起老老实实地砌砖，实在是优越到不知道哪里去了。

　　（20世纪典型的混凝土施工场景）

　　你以为这样就足够了吗？差得远呢！

　　（三）庞大的建设量，逼迫科学家们想新的办法

　　到了20世纪后期，随着全世界土木工程建设量的增大、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。

　　大楼施工到了30层，要把混凝土吊到100米的高空，光是这一步就要了亲命：这一斗一斗地吊上去，要多少天才能吊足一层的用量。等吊上去，混凝土早就硬了。好不容易把混凝土都吊上去，要把它平整无缝隙地铺满一层，又要上百个工人拿振捣棒振上一个下午。照这样下去，一栋摩天大楼盖好，一代人都过去了。

　　随着大楼越盖越高，对混凝土的强度要求也越来越大。要想混凝土强度高，就要少加水。可是加水少了，混凝土又拌不开。这样一来，混凝土就变得越来越不好用。这可怎么办呢？

　　（干硬的混凝土搅拌不开，就会形成孔洞，严重危害安全）

　　答案就是使用“减水剂”。在混凝土中加入减水剂，只要一点点，就可以让混凝土变稀。它通过让水泥颗粒带上同种负电荷，相互排斥，让水泥颗粒就像一颗颗滚珠一样互相脱离，从而增强混凝土的流动性。

　　（减水剂工作原理，将水泥颗粒分散开）

　　加了减水剂之后，最显而易见的好处就是可以减少混凝土的用水，让混凝土的内部结构更加致密，不仅强度大幅提高，而且孔隙少了，耐久性也变得更好了。

　　同时，它又让混凝土易于流动，便于成型，不再需要费时费力地振捣了。以上这些都还不是最重要的。最重要的是，减水剂的引入，开启了混凝土输送新世界的大门：泵送！

　　加了合适比例的减水剂之后的混凝土，可以像水一样流动。这样一来，混凝土就不必再像过去那样一斗一斗地吊上楼，而是直接拿根钢管，一端通向楼顶，另一端通向一台强力泵车。

　　强力泵将混凝土顺着钢管泵上百米高空，楼上再也不需要上百个工人拿着振捣棒一处一处振捣了，只要有几个工人操纵泵管就好。混凝土泵到了楼上，自动就会流平，工人只要适当地用振捣棒“修整“一下形状就好。几滴小小的减水剂，解放了成千上万的劳力，同时也大大加快了施工速度。

　　（21世纪的混凝土浇筑场景）

　　（四）现代混凝土的背后，学问不小

　　光有减水剂，就能制出上面说的这种高性能混凝土吗？显然，事情远没有那么简单。

　　其实，单纯的减水剂不是个稀罕东西，早在1930年代，美国人就已经发明了混凝土减水剂并申请了专利。到1980年代，当代最常用的聚羧酸减水剂也被发明了出来。

　　然而，在混凝土的实际使用中，问题还是相当多。有时候，混凝土加了某种减水剂，凝结速度特别慢，浇筑之后迟迟不凝结，影响工程。更坏的情况是，混凝土加了减水剂可凝结速度变快了，在泵管里爬到一半就把管堵上了。有时候混凝土泵上去之后，发现明明混合得很好的水泥浆、石子和砂子分离开了，石子沉在最底下，最上面还浮着一层水：离析了。这样的混凝土只能直接打掉作废——没错，还要用料斗一斗一斗地运到楼下去。

　　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！

　　（五）高性能混凝土研究的重任交给了中国

　　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。

　　泵送混凝土的质量，直接关系到超高层建筑的安全。为此，各大科研院所、施工单位都加入到了这项重大课题的攻关当中。

　　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。

　　（骨料的级配优化后，流动性和密实度都得到了提升）

　　除了混凝土本身，输送混凝土的泵管也大有学问。在中国尊等超高层工程的建设中，泵管上都密布各种传感器，既要测量并监控混凝土的泵压，又要监测泵管的磨损情况、及时替换磨损严重或者堵塞的泵管。别看混凝土脏兮兮的，每一步的背后都精密得很。

　　通过多方面的研究与海量的工程经验，中国科研人员终于在高性能泵送混凝土领域做出了巨大的突破。2015年7月7日上午，全球首次混凝土千米泵送试验在华南第一高楼取得成功。这意味着，中国已经完全掌握了千米高楼建设的核心技术和关键的数据资料。

　　对于中国人来说，千米高楼的建设已经不再有技术上不可逾越的障碍了。中国不仅仅是在高度上领先。通过千米泵送运输到位的混凝土强度达到了100兆帕，比一般摩天大楼使用的混凝土强度还高上一倍。此外，混凝土的凝结时间、离析程度乃至对泵管弯角处的磨损程度都得到了有效的控制。

　　如同一百年前一样，如今，相比起工程上的成功，中国的科学家们更关注的，是成功背后的机理，包括流态混凝土的流体力学规律，还有水泥浆体水化的深层次原因等。在未来，掌握了更加本质的科学原理的人类，一定可以将混凝土这个“九千岁”，玩出更多的新花样，更好地造福人类。

　　结语

　　中国基建的快速发展，对混凝土技术的需求十分迫切，这促使中国在高性能泵送混凝土方面取得了许多突破。从泵送混凝土的凝结时间到骨料配比再到输送混凝土的泵管，中国先后解决了高性能泵送混凝土的各项“疑难杂症”，千米高楼的建设已经不再有技术上不可逾越的障碍。

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　　编辑| 史文慧