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建筑材料:为啥现代混凝土百年就垮塌,古罗马混凝土却能用千年?

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引言

当人们来到意大利首都罗马,在这里我们会见到许多恢弘的古代建筑,来自图拉真市场的古罗马走廊,让人印象深刻。这座来自1900年前建造的混凝土走廊,直到现在都依然坚挺,在承受住大量地震之后,他依然在此矗立着。

更重要的是,建筑本身没有任何一点钢筋支撑,也将人们的目光吸引到了古罗马混凝土技术上。



(古罗马走廊)

一、古罗马混凝土配方

古罗马混凝土所建造的建筑留存下来的不在少数,从公元前22年开始,当时的古罗马人就在今天以色列的凯撒利亚古城港口。修建了水下混凝土建筑,直到现在,这些海洋建筑物依然保存完好。

公元98到117年,正处在图拉真皇帝统治之下古罗马帝国,开始大规模修建公共工程项目,修建新的道路桥梁,公共浴场等等,还修建了一个大型海港。当我们走进这些两千多年前古罗马混凝土建造出来的各种建筑物时,我们会真正的大吃一惊。



(图拉真皇帝)

这些几千年前存在的混凝土建筑,为何直到现在依然完好无损?那不勒斯的古罗马防波堤常年被浸泡在水中,还会受到海浪的冲击,但依然坚挺。带着这样的疑问,现代人进行研究,在上世纪90年代,犹他大学教授杰克逊曾前往意大利,研究这些混凝土建筑。

杰克逊说几千年前的混凝土港口令人印象深刻,而许多20世纪建造的海滨项目就已经摇摇欲坠。她想弄清楚这两者之间的差别到底是什么?直到2013年,杰克逊所在的研究团队才真正对罗马混凝土的原始配方进行了深度剖析。



(古罗马防波堤)

他们惊讶地发现在罗马混凝土当中,与现代的波特兰水泥不同,他们当中添加添加了火山灰和石灰的混合物,并且还将石头的碎块结合在了其中。从研究来看,古罗马混凝土耐久性的关键就是火山灰岩石材料。

这和意大利的地理环境有着极大的关系,当那不勒斯湾的火山爆发之后,这些火山灰会被运送全国各地。因此古罗马才能够修建起自己的建筑物,杰克逊在研究中还发现了一种叫做铝雪花钙石的物质。



(古罗马混凝土)

铝雪花钙石是从钙十字沸石中伴随生长的,杰克逊表示,这在地球上是非常罕见的。而随着铝雪花钙石的生长,就会增加混凝土的坚固性。它的晶体能够保证材料受到压力时,可以自如弯曲,而不是直接粉碎。

并且他们还发现,当古罗马混凝土接触海水后,海水会融化掉一部分混凝土。因祸得福的是在这些多余的空隙中,很快就会形成新的矿物质,也就是我们所说的“铝雪花钙石”,所以这些古罗马混凝土建筑反而是越来越坚韧。



(铝雪花钙石)

杰克逊试图用旧金海附近的火山岩,来重新制作罗马混凝土,但她发现,只有大量的燃料和持久的高温才能够合成少量的硅酸钙。一旦用硅酸钙加入现代混凝土,尽管变得坚固,但成本却高出了许多。

因此罗马混凝土能够经受住几百年甚至几千年的侵蚀,这种混凝土,不仅重量更轻,而且几乎可以不用钢筋进行加固。



(硅酸钙)

二、现代混凝土

1756年英国人发现了混凝土技术,起初人们并不知道可以用来做什么。直到1849年,法国一个园丁将铁丝和混凝土结合后制作成了花盆,一下子点通了其他人的灵感。随后1892年,法国工程师将全套钢筋混凝土的结构应用到了建筑上。

1955年林同炎研究了预应力混凝土结构设计,已经混凝土发展成为了工程材料。1914年,工程师柯布设计出了一张概念图,他将混凝土设计为框架结构,能够利用混凝土的抗弯特性,来修建新的房子。



(设计图)

其实就是我们今天所看到的商品房结构,但在当年房子几乎都是砖制作、石制的,这样的想法改变了世界的进程。1958年日本丹下健三设计了香川县厅舍,用混凝土实现了更多建筑的可能性。可以说一个小小的混凝土,改变了整个世界。

混凝土在一般情况下具有良好的耐久性,对于现代建筑标准来说,也足以够用了。例如现代商房住宅,主权在50年到100年间不等。而混凝土一旦遇上水位变化或者是一直处在饱水状态的情况之下,混凝土就极其容易遭到破坏



(现代混凝土)

对此,现在市面上要求混凝土具有一定的抗冻性,如果是不透水的工程,要求混凝土具有良好的抗渗性。事实上,现在的混凝土种类繁多,不同的工程也的确会使用不同的混凝土,但不论怎么变化,混凝土建筑的寿命还是最多只有100年。

杰克逊在研究罗马混凝土时,她曾提到美国旧金山的码头,在上世纪50年代所修建的防波堤,如今混凝土块早已剥落,只剩下钢筋裸露在地面上。现在的混凝土建筑如果需要长期使用,还必须得注意保养,这就显得有些憋屈了。



(现代混凝土建筑)

三、现代混凝土和罗马的区别是什么

  1. 现在混凝土的材料大多是胶凝材料,也就是大家口中的水泥,再把砂、石、水等物品按照比例添加进去。有的是用碎石或鹅卵石,有的是用砂石,凝结过后的混凝土是一种人造石材,也是现代建筑中不可或缺的一环。

而罗马混凝土中,因为有火山石灰的存在,所以才会产生铝雪花钙石等物质。这是两者最大的差别,虽然都是混凝土,但材料稍有不同就会锻造出不同的硬度。对于现代建筑来说,罗马混凝土显然是更加具有优势的。



(罗马混凝土建筑)

第二点,古罗马混凝土具有自愈功能,火山灰中的灰岩屑与水反应后可以产生饱和的钙溶液,钙溶液结晶为碳酸钙,碳酸钙则会迅速填充进裂缝中。这也正是前文所说的,古罗马混凝土哪怕遭到侵蚀后也依然坚挺的原因。

这一点现代混凝土显然做不到,而这恰恰是古罗马混凝土耐久性的体现。但罗马混凝土却并不能大规模推广,仅仅是原材料就无法满足大家的需求。杰克逊和她的团队开始着手于解决这一难题,但事实上这也并不容易。



(古罗马混凝土建筑)

现在也有研究团队正在努力将罗马的水泥材料商业化,从而达到提升建筑寿命的目的。我们也由衷的希望,这样的研究能够早一点成功。

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