看了那麼多大樓和大橋，但你真的了解混凝土嗎？

出品| 網易新聞學院

作者| 須臾千秋

　　什麼是人類歷史上最偉大的材料？恐怕非鋼筋混凝土莫屬。小到我們住的居民樓，大到跨海大橋、摩天大樓、公路高鐵……人類文明的每一個角落都充斥著混凝土。

　　一堆砂子、一堆石子、幾袋水泥和一桶水，攪拌均勻，砌成你想要的形狀，過幾天就可以變得硬如岩石，無怪乎工程師們造了一個字：砼（tong2）來表示混凝土，人工石嘛！很生動形象有木有？

（左邊是水泥，它加了砂子、石子和水之後才叫混凝土，可不要搞錯了）

（一）混凝土的歷史與人類文明一樣久遠

　　混凝土的使用要追溯到9000年前。在公元前7000年，以色列王國的加利利城就使用了簡易的「混凝土」製作地板，當時的人使用煅燒的生石灰與砂子混合，在空氣中緩慢硬化，最後居然也形成了強度。後來，羅馬人又在這種材料的基礎上加入了天然的火山灰，製造了表現更好的「混凝土」。正是用這種樸素的天然混凝土材料，羅馬人修建了龐貝的大體積劇院、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」）

　　不過，那時的人們並不清楚混凝土的原理，只是拿著天然的材料互相混合，質量也不穩定。隨著古羅馬帝國的衰亡，沒有了龐貝火山天然的優質火山灰，這項技術也就失傳了。

　　一直到1824年，英國的花匠阿斯普丁將石灰石與黏土混合煅燒，形成了我們當代人使用的水泥的前身，然而，用它製作的混凝土在當時並沒有比其它建築材料強多少，因此銷路並不好。

　　在19世紀初，天然石材還是建築材料的主流，而當時世界上最好的建築石材產自波特蘭。為了打開銷路，商家動了個歪心眼：把當時的水泥起名為「波特蘭水泥」，讓人誤以為它和波特蘭石有什麼關係，進而忽悠大家來買。

（與水泥並沒有什麼關係的波特蘭石——除了顏色有一點像）

（二）在科學的加持下，混凝土一騎絕塵

　　儘管現代混凝土剛誕生的時候十分可憐，但隨著科學的進步，混凝土開始逐漸發起了光。

　　1887年，法國科學家亨利發現了水泥的真實組分，接下來的幾十年里，水泥水化形成強度的機理開始逐漸為人所知。掌握了原理，科學家們開始逐步改良水泥的燒制工藝，總結出混凝土的配比與強度規律，再依照規律，根據需求來選擇合適的混凝土配比。

　　終於到了20世紀中葉，一個典型的建築工地已經不再是小工一筐一筐地搬磚，然後瓦工一塊一塊地砌好；而是工人支好模板、拌好混凝土，捆紮鋼筋籠，再將混凝土一股腦地倒上去，用振搗棒之類的東西來回振搗密實，最後抹平。相比起老老實實地砌磚，實在是優越到不知道哪裡去了。

（20世紀典型的混凝土施工場景）

　　你以為這樣就足夠了嗎？差得遠呢！

（三）龐大的建設量，逼迫科學家們想新的辦法

　　到了20世紀後期，隨著全世界土木工程建設量的增大、高層建築的增加和勞動力成本的上升，人們逐漸發現，混凝土也沒有那麼「萬能」了。

　　大樓施工到了30層，要把混凝土吊到100米的高空，光是這一步就要了親命：這一斗一斗地吊上去，要多少天才能吊足一層的用量。等吊上去，混凝土早就硬了。好不容易把混凝土都吊上去，要把它平整無縫隙地鋪滿一層，又要上百個工人拿振搗棒振上一個下午。照這樣下去，一棟摩天大樓蓋好，一代人都過去了。

　　隨著大樓越蓋越高，對混凝土的強度要求也越來越大。要想混凝土強度高，就要少加水。可是加水少了，混凝土又拌不開。這樣一來，混凝土就變得越來越不好用。這可怎麼辦呢？

（干硬的混凝土攪拌不開，就會形成孔洞，嚴重危害安全）

　　答案就是使用「減水劑」。在混凝土中加入減水劑，只要一點點，就可以讓混凝土變稀。它通過讓水泥顆粒帶上同種負電荷，相互排斥，讓水泥顆粒就像一顆顆滾珠一樣互相脫離，從而增強混凝土的流動性。

（減水劑工作原理，將水泥顆粒分散開）

　　加了減水劑之後，最顯而易見的好處就是可以減少混凝土的用水，讓混凝土的內部結構更加緻密，不僅強度大幅提高，而且孔隙少了，耐久性也變得更好了。

　　同時，它又讓混凝土易於流動，便於成型，不再需要費時費力地振搗了。以上這些都還不是最重要的。最重要的是，減水劑的引入，開啟了混凝土輸送新世界的大門：泵送！

　　加了合適比例的減水劑之後的混凝土，可以像水一樣流動。這樣一來，混凝土就不必再像過去那樣一斗一斗地吊上樓，而是直接拿根鋼管，一端通向樓頂，另一端通向一台強力泵車。

　　強力泵將混凝土順著鋼管泵上百米高空，樓上再也不需要上百個工人拿著振搗棒一處一處振搗了，只要有幾個工人操縱泵管就好。混凝土泵到了樓上，自動就會流平，工人只要適當地用振搗棒「修整「一下形狀就好。幾滴小小的減水劑，解放了成千上萬的勞力，同時也大大加快了施工速度。

（21世紀的混凝土澆築場景）

（四）現代混凝土的背後，學問不小

　　光有減水劑，就能制出上面說的這種高性能混凝土嗎？顯然，事情遠沒有那麼簡單。

　　其實，單純的減水劑不是個稀罕東西，早在1930年代，美國人就已經發明了混凝土減水劑並申請了專利。到1980年代，當代最常用的聚羧酸減水劑也被發明了出來。

　　然而，在混凝土的實際使用中，問題還是相當多。有時候，混凝土加了某種減水劑，凝結速度特別慢，澆築之後遲遲不凝結，影響工程。更壞的情況是，混凝土加了減水劑可凝結速度變快了，在泵管里爬到一半就把管堵上了。有時候混凝土泵上去之後，發現明明混合得很好的水泥漿、石子和砂子分離開了，石子沉在最底下，最上面還浮著一層水：離析了。這樣的混凝土只能直接打掉作廢——沒錯，還要用料斗一斗一斗地運到樓下去。

　　除了減水劑，混凝土中的麻煩事兒還多著呢。水泥和礦物摻和料的比例和種類會影響混凝土的強度、凝結時間和流動性。就連我們以為「只是佔個地方「的砂子和石子，也必須滿足良好的級配。如果石子的尺寸稍有不對，那麼即使減水劑用得再多再好，由於石子之間的阻力，混凝土也很難泵得動。

　　這些惱人的問題伴隨著混凝土技術的發展始終存在。泵送混凝土看起來酷炫，用起來麻煩事多著呢！

（五）高性能混凝土研究的重任交給了中國

　　從21世紀開始，發達國家的建設逐漸停了下來，而中國超高層建築的建設則開始了井噴式的發展。僅2016年一年，中國就建成了84棟200米以上的高樓。這樣，解決高性能泵送混凝土各項「疑難雜症」的重任就落在了中國工程師們的頭上。

　　泵送混凝土的質量，直接關係到超高層建築的安全。為此，各大科研院所、施工單位都加入到了這項重大課題的攻關當中。

　　泵送混凝土的凝結時間是施工的重中之重。對此，國內建材企業投入大量精力開展對混凝土外加劑的研究。目前，新型的外加劑早已不是過去那種單純的減水劑了，而是集減水、緩凝、引氣等功效於一體的高效外加劑。混凝土強度需要多強、要泵多高，甚至罐車到工地要多久，都可以考慮在內，進而調整外加劑的種類和用量。

　　此外，不起眼的骨料也是研究的重點。高性能的混凝土絕不是隨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，級配優良，並與砂子的尺寸無縫銜接。這樣可以最大限度地提高流動性、減小漿體的用量和對泵管壁的磨損。

（骨料的級配優化後，流動性和密實度都得到了提升）

　　除了混凝土本身，輸送混凝土的泵管也大有學問。在中國尊等超高層工程的建設中，泵管上都密布各種感測器，既要測量並監控混凝土的泵壓，又要監測泵管的磨損情況、及時替換磨損嚴重或者堵塞的泵管。別看混凝土髒兮兮的，每一步的背後都精密得很。

　　通過多方面的研究與海量的工程經驗，中國科研人員終於在高性能泵送混凝土領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試驗在華南第一高樓取得成功。這意味著，中國已經完全掌握了千米高樓建設的核心技術和關鍵的數據資料。

　　對於中國人來說，千米高樓的建設已經不再有技術上不可逾越的障礙了。中國不僅僅是在高度上領先。通過千米泵送運輸到位的混凝土強度達到了100兆帕，比一般摩天大樓使用的混凝土強度還高上一倍。此外，混凝土的凝結時間、離析程度乃至對泵管彎角處的磨損程度都得到了有效的控制。

　　如同一百年前一樣，如今，相比起工程上的成功，中國的科學家們更關注的，是成功背後的機理，包括流態混凝土的流體力學規律，還有水泥漿體水化的深層次原因等。在未來，掌握了更加本質的科學原理的人類，一定可以將混凝土這個「九千歲」，玩出更多的新花樣，更好地造福人類。

結語

　　中國基建的快速發展，對混凝土技術的需求十分迫切，這促使中國在高性能泵送混凝土方面取得了許多突破。從泵送混凝土的凝結時間到骨料配比再到輸送混凝土的泵管，中國先後解決了高性能泵送混凝土的各項「疑難雜症」，千米高樓的建設已經不再有技術上不可逾越的障礙。

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編輯| 史文慧

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