《迷人的材料》精读13

№12 作为基础的混凝土（1）

昨天我们了解了脆弱的纸，今天我们将接触到坚硬的混凝土、美味的巧克力以及神奇的发泡材料。

作者经历了坐标伦敦、在他家附近的欧洲第一高楼——“碎片大厦”从无到有的整个过程，他曾担心会不会像美国世贸双塔一样遭遇空袭，但也正因为这种担心，使他得以越来越透彻地了解了混凝土。

（一）混凝土与水

要建造这个“欧洲第一高楼”，首先要在空地上挖一个大洞，挖出巨量的黏土——英国泰晤士河历经数十万年留下的淤泥。接着，工人们往里边灌了大概七百辆车的混凝土，这才填好地基，修建好地下楼层。

这些混凝土要多久才干？有路人甲问作者。然而他并不想回答，因为这是个伪问题。实际上混凝土永远不会干，因为水本身就是混凝土的组成部分。混凝土和水发生化学反应，形成复杂的微结构从而锁住水分。不过尽管如此，混凝土外表仍然干燥，而且还能防水。

具体来讲，制作混凝土需要含有碳酸钙的石灰石和含有硅酸盐的岩石，以及富含铝、铁的矿石。石灰石是埋在地底的生物体经过数百万年高温高压的地壳运动融合而成的，硅酸盐则是地壳的主要组成部分（90%）。当然，制作混凝土可不是将它们混合起来再掺水这么简单。首先你要将岩石加热到1450摄氏度的高温，断开碳酸钙和硅酸盐的化学键，岩石分裂重组，降温后就形成了灰白的粉末，这就是水泥。

水泥粉末遇水颜色变深，发生化学反应形成凝胶。其原理是钙和硅酸分子溶解后形成的晶体结构，如图：

《迷人的材料》精读13

不断增生的原纤维相互交错，锁住水分，抓住碎石块，直至水泥从凝胶变为固体，这就是混凝土。

任何化学反应中如果反应物的比例不对都是不行的。同样的，混凝土中水过多或者过少都会减弱它的强度，只是从外表上我们难以发现。很多地震灾难之所以损失惨重就是因为某些豆腐渣工程使用的混凝土质量太差。它们仿佛成为了不定时炸弹，不知什么时候会倒塌。而且有些时候连制作混凝土的工人也并不懂这些原理，因此水量控制得过于随意。

工人们在“碎片大厦”的建筑工地挖掘出了古罗马浴池遗迹，发现古罗马人在一千多年前就已经发明了混凝土，只不过他们有现成的天然水泥——火山灰。因此他们成为人类史上第一个拥有混凝土的民族。

由于混凝土一开始凝固前是液体或胶体形态，所以它可以用浇注法做出几乎任何结构形状，这也是它备受欢迎的原因之一，因为它解放了建筑师的想象力。

当然，混凝土也有它的致命缺陷——容易断裂。

材料的断裂有两种方式：

塑性断裂，即材料受拉扯导致晶格重排，使得中间越来越细直至断裂，如把口香糖拉断就是这种断裂。

脆性断裂，这些材料由于无法借助位错实现晶格重排，因此只能整体碎裂，比如玻璃、混凝土。因此，混凝土适合用于受压结构，而非拉扯结构。直到欧洲工业革命兴起，人们才改变了这种限制。