建筑材料的革命：钢筋混凝土

人类创造的世界光彩夺目，绚丽耀眼，令人赞叹称奇。它为什么是现在的这个样子？迎着阳光，在现代文明精致的面庞和魁梧的身躯后面，有一条长长的影子，从那里，可以看到岁月、历史和长路。

看看现在城市里的建筑物，虽然它们表面上都被瓷砖、大理石、有机涂料或者玻璃幕墙包裹着，但你知道，在这光鲜的外表下是丑陋粗糙的灰色混凝土，在混凝土的内部，是钢筋组成的框架结构。我得说，人们不喜欢把它裸露在外的钢筋混凝土，却是建筑物雄伟形象的唯一保障。

钢筋混凝土是由水泥、石料（二者合称为混凝土）和钢筋组成。对于一个高层的建筑物，混凝土提供了坚固和抗压性能，钢筋提供了弹性和延展性能。

如果因为混凝土在现代世界很普遍而且很丑陋而认为它是古已有之的原始建筑材料，那就错了。

我们的远古祖先为了躲避风雨和野兽而住进山洞，这是最易得的天然建筑；

随着家族和部落的扩大，人类用石块、树木、竹子、泥巴、糯米浆、动物油、芦苇杆、干草、树叶做成房屋；

中国的春秋战国和秦朝时期出现了人工石材——砖（过去的砖和现在的砖在生产工艺上没有本质区别，都是用泥土烧制），可能是用某些黏性土壤将砖粘结在一起组成墙体；

据说欧洲的古罗马时期出现了用石灰、火山灰和碎沙子混合而成的粘结材料，用以粘结堆砌的石块（欧洲大部分时间都以石块为建筑主材）；

中国汉朝时出现了另一种用来盖屋顶的人工石材——瓦，所以有“秦砖汉瓦”之说。在中国历史的大部分时间里，主要有三种建筑形式：

1、一种是用泥巴和稻(麦)草混合做成方形晒干后堆砌墙体，以木材做梁(屋顶的骨架)，以稻(麦)草或其它干草覆盖于梁上做屋顶，这是普通贫穷人家房子的建筑方式(我小时候的邻居家就是这样的房子)；

2、对于官府和富有之家，则是用砖为墙体，以木材为梁，以瓦为顶；

3、还有一种就是木屋或竹屋，以干草盖顶。

而欧洲不同的是，主要以石块为主材。

用泥巴添加其它一些自然粘剂作为墙体粘结材料的使用是东西方共有的发现，而运用石灰，很可能是西方的发明。我们要首先提到它，因为它将是人类后来发明的混凝土的一个组成部分。

石灰石是一种天然矿石，而石灰是用某种温度煅烧石灰石而得。

以碳酸钙(CaCO₃)为主要成分的石头都叫石灰石，如石灰岩、白垩、白云质石灰岩等。煅烧此种岩石，将二氧化碳排出，即得到能很容易磨成粉末的石灰块，也称生石灰，主要成分是氧化钙（CaO。石灰石中也会有些MgCO₃，因此生石灰中也会含有MgO）。如果在煅烧工艺上的控制出现问题，碳酸钙未完全分解，就会影响石灰的粘结力。

如何制得石灰

石灰石——>煅烧——>生石灰——>研磨——>建筑用石灰

为什么石灰具有粘结力呢？因为在石灰掺水以后，氧化钙与水发生化学反应，生成氢氧化钙（Ca(OH)₂，此时称作熟石灰），氢氧化钙再与空气中的二氧化碳结合，生成碳酸钙和水，水会蒸发掉，而碳酸钙是坚硬的物质，就像石头一样。这就像是一个人工制作石头的过程。

以下是石灰在建筑中使用时发生的两个化学反应：

CaO+H₂O=Ca(OH)₂ Ca(OH)₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O

建筑中使用石灰

石灰——>加水——>熟石灰——>水蒸发、熟石灰与CO₂反应——>凝结坚固

把石灰石煅烧得到石灰，再把石灰与水混合形成易塑的石灰浆，抹在需要粘结的石块或砖头之间后待其干燥——整个过程，就相当于把石头变成一种不是石头的物质，再把这种不是石头的物质变成石头。

看起来很麻烦是吗？但这是必须的过程，如果只是把石头磨成粉，然后希望用水把石头粉粘结在一起，那是不可能的，我们必须依靠化学变化中重建的化学键来达到目的。据说古罗马人就掌握了石灰石变成石灰的煅烧方法，并把石灰应用到建筑上。但中世纪时这些方法不知为何而失传。直到1779年，英国人约翰·斯米顿重新发现了这种方法。

1796年，某个英国人申请了一项专利，内容是煅烧某种含有黏土的石灰石后的产物，可以作为建筑粘结材料。这就是最早的天然水泥，其中附着在石灰石上的黏土，是某种含有大量二氧化硅(SiO₂)的土。

这个英国人的偶然发现开启了现代水泥的研制。1812年左右，一个法国人发现了煅烧石灰石和黏土的混合物得到的产物与前面这个英国人的发明的效果是一样的，因此这个法国人发明的是人工水泥的制作方法。

加入黏土的石灰石煅烧后的产物的粘结效果要大大强于纯石灰的粘结效果。为什么呢？因为富含二氧化硅的黏土和石灰石煅烧后，会形成多种物质的集合体，包括3CaO·SiO₂、2CaO·SiO₂、3CaO·Al₂O₃等，它们掺水后形成的混合物的粘结力更强。这就是现代硅酸盐水泥所依赖的原理。

我小时候在农村里见过村民自砌房屋，用来固定砖头的粘结剂是这样得来：用石灰、某种特殊的黏土（实际上是二氧化硅含量较大的泥土）、砂石掺水搅拌。然而这种土法粘结剂的性能并不是很强大，因为黏土没有经过与石灰石一起煅烧，没有形成上述的混合物。

19世纪，水泥的制作工艺已经在快速发展。1867年，一个法国园丁约瑟夫·莫妮尔用铁丝做成一个花盆骨架，用水泥包裹在外面，制作了可能是世界上第一个钢筋混凝土的物品。

人们希望把这种方法应用到更大型的建筑物上，但一开始对铁丝和水泥的缩胀系数（热胀冷缩）有所担心。比如，在受热的情况下，如果铁丝的膨胀程度大于水泥，就会把水泥外壳撑破。然而事实是，铁和水泥的缩胀率是如此的相近，是天生的一对，而且钢筋和混凝土之间有着优良的粘结力。

1872年，世界第一座钢筋混凝土结构的建筑在美国纽约落成。1900年后，钢筋混凝土结构在工程界开始大规模应用。

在中国，混凝土也被称作“砼”(tóng)。这个字是结构学教授蔡方荫在1950年代给大学生授课时为减轻在黑板上书写“混凝土”的体力而简化成“人工石”后形成的，是近代构造的汉字。所以我们可以看到混凝土搅拌车上可能写着“XX商砼”的字样。

混凝土是水泥（通常硅酸盐水泥）与骨料的混合物。当加入一定量水分的时候，水泥水化形成微观不透明晶格结构从而包裹和结合骨料成为整体结构。混凝土的抗压强度很大，但抗拉强度较低，所以工程中以抗拉强度高的钢筋作为骨架是非常合适的选择。这就组成了钢筋混凝土结构。

最后简单介绍一下水泥。产硅酸盐水泥熟料的原料主要是：石灰质原料(提供CaO)、黏土质原料(主要提供SiO₂、Al₂O₃、以及少量Fe₂O₃)和校正原料(补充某些不足的成分)。