地球上最常用的人造建筑材料不是鋼鐵、塑料，或鋁——而是混凝土。幾千年前我們就用它建造文明，但隨后制造水泥的知識遺失了。這里講述我們如何發(fā)現(xiàn)混凝土、又遺忘它、然后最終破解它為何如此強大的奧秘。
我們一想到混凝土，我們一般會想象白色的路面、游泳池，和建筑地基。我們大多數(shù)人都不會意識到混凝土的熾熱火山起源故事，或混凝土是一項千億美元的生意。事實上，它是這個星球上僅次于水使用最廣泛的材料。今天按噸計，你們人類使用混凝土比鋼鐵、木材、塑料和鋁的總合還多。
兩千多年前，在羅馬帝國全盛時期，港口城市波佐利是軍事和商業(yè)的中心。每天有船從那里開出，滿載著谷物、鐵、武器，和火山灰，這是在附近的坎皮佛萊格瑞(Campi Flegrei)超級火山形成的灰色火山砂。
為什么羅馬人要把火山噴發(fā)物出口到已知世界的偏遠角落？因為這種砂子碰巧很特殊。和水混合時，它會形成一種砂漿，強硬得足以把石塊結合到一起變成一種不透水的承重材料。如羅馬哲學家塞涅卡指出的那樣，“波佐利的塵土遇到水就變成石頭?！睕]有人知道為什么。
純粹是靠運氣，羅馬人在一座天然水泥廠之上建造起一座城市。事實證明，火山灰是二氧化硅和石灰的混合物，這是水泥的三種關鍵成分之二(第三種是水)。直到今年一位斯坦福地球化學家才弄清這種不尋常的火山灰是怎樣形成的。
坎皮佛萊格瑞的火山口內部深處填充著石灰石，它是一種質軟易碎的由碳酸鈣構成的巖石。由于地熱加熱的水沖刷火山口的石灰石壁，觸發(fā)了一種脫碳酸鹽化反應，釋放二氧化碳，留下氫氧化鈣，又稱熟石灰。描述這個過程的反應如下：
CaCO3 (石灰石) + 熱 + H2O > Ca(OH)2 + CO2
在坎皮佛萊格瑞內部循環(huán)的地熱流體把一些石灰?guī)У降乇砀浇谀抢锼c富含二氧化硅的火山灰結合形成一種不透水的水泥樣冠巖，但最終火山內部積聚了足夠壓強，導致冠巖彎曲破裂。當它發(fā)生時，形成水泥的同樣成分作為火山灰一噴沖天。
地球化學家Tiziana Vanorio懷疑羅馬人首先看到火山灰在坎皮佛萊格瑞周圍的海水中硬化成為水泥。他們改動這一自然過程，混入小塊浮石——過熱巖漿快速冷卻時形成的多孔火山巖。就這樣，羅馬混凝土誕生了。它成為了古代世界的標志性建筑材料，它也是包括獸場和帕臺農神廟在內的許多羅馬構造物存在到今天的原因。
羅馬帝國陷落后，混凝土制造的記憶被完全遺忘。數(shù)世紀后它逐漸恢復，但一直到1824年Joseph Aspdin研發(fā)和專利了硅酸鹽水泥，才又廣泛流傳。
而Aspdin的水泥里的主要成分則是硅酸鈣，通過在火爐里把石灰石和富含二氧化硅的粘土加熱到約600°C形成。而坎皮佛萊格瑞火山數(shù)千年來一直都在這樣做。
今天硅酸鹽水泥簡直是在字面意義上把世界粘在一起的膠水，形成混凝土、砂漿、灰泥和水泥漿的基礎。羅馬帝國之后的主要創(chuàng)新是加入了鋁和鐵的氧化物，這增加了強度并使硅酸鈣在較低溫度形成。
這里是硅酸鹽水泥熟料(水泥的干粉版本)的一般配方。配比隨應用變化，取決于水泥所需的材料性能。
混凝土實際上是一團亂糟。我就省下百科全書細節(jié)，就挑幾個我認為值得知道的重要、有趣和未來的變種。不過記?。』炷敛粌H僅是水泥，這是事情變得有點復雜的地方。在現(xiàn)代我們已經發(fā)現(xiàn)了大量添加劑，取決于你想要建造高速立交橋、水壩、水庫、跑道、船舶或建筑而使用，有添加劑能增加混凝土的導電性、強度、延展性和耐酸腐蝕性，有化學緩凝劑減慢混凝土的水合反應，速凝劑加快反應，有增塑劑使其更容易操作，還有緩蝕劑、色素、裝飾石料和貝殼。
鋼筋強化的混凝土樁Image via Shutterstock
混凝土的抗壓強度很高，這意味著它能承受很高的重量而不被壓垮。這使之成為建筑和路基的優(yōu)秀材料。但混凝土的抗拉強度很差。它一旦被彎曲，就裂了。這對于橋、梁、柱就不行了。為了提高混凝土的延展性，我們在它凝固前加入鋼筋、玻璃或塑料纖維。這叫做強化混凝土。
羅馬人也差不多明白這一點。他們曾經往混凝土里加入馬毛來防止它在硬化時開裂。
大多數(shù)混凝土形成不透水表面，意味著水淋上去就會流走。而透水混凝土，也叫做多孔路面卻正相反——其較大顆粒能讓降雨一路滲透到地下。這實際上是個非常好的主意，因為不透水表面造成城市積水，也增加中水污染。透水混凝土未來將成為可持續(xù)性基礎設施領域的重要部分。
當你以高能混合水泥、砂、和水時，顆粒開始超快速到處飛濺，互相碰撞和崩解。最終，你得到一種微細納米顆粒的混合物。這叫做納米混凝土。由于其非常小的粒度，納米混凝土由很高的表面積和體積比，這允許它比常規(guī)水泥吸收多很多的水。更多的水意味著更柔軟、更輕的材料，能用來鑄造小的建筑細節(jié)和裝飾物，比如這塊版：
納米混凝土目前并沒有廣泛使用，但在經濟和環(huán)境角度上來說它很有意思。把混凝土水合出翔來讓你把這種材料鋪得更大，最終能削減其單位碳排放(生產硅酸鈣涉及的加熱過程在我們的全球碳排放中占到高達7%)。嘿，只要它不至于跪了，看起來就不錯。
這果斷是我最喜歡的混凝土類型。也可能是曾經想象出的最酷材料之一。某些細菌，包括Bacillus pasteurii，Bacillus pseudofirmus和Arthrobacter crystallopoietes在一種稱為生物礦化的過程中積極地在其細胞周圍沉積礦物質晶體。
這些礦物質和糖、蛋白質分泌物一起形成一種高強膠水。幾年前，一些機智的科學家們一拍腦袋想到這些生物礦化微生物可能幫助我們打造更強、更耐腐蝕、甚至也許能自我愈合的混凝土。
目前的研究結果很有希望。如果這種技術最終起飛，未來的基礎設施在字面意義上會是活的。
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