重新发现混凝土
混凝土花了大约一千年的时间才卷土重来。欧洲经历了黑暗时代,直到文艺复兴时期才重新发现古罗马文本。文艺复兴时期的工程师研究了维特鲁威的《论建筑》,但由于对神秘的灰色建筑材料一无所知,学者们很难破译维特鲁威的术语。只有一位名叫乔瓦尼·乔康多的意大利修士能够破解密码。
Giocondo接受过考古学和建筑学方面的培训,他注意到caementis的一些令人印象深刻的东西。它的耐候性表明它必须是液压的,这意味着它在水下会变硬。乔康多认为,混凝土必须被复制。
因此,乔康多按照维特鲁威的指示建造了混合石灰和火山灰的结构。他的第一次尝试是最初的PontNotre-Dame桥。房子建在桥上,但在结构建成后大约年,整个东西都被拆除了。这些房屋对这种原始版本的混凝土施加了过多的压力,而Giocondo的努力将作为文艺复兴时期创造混凝土的唯一尝试而载入史册。但更大的突破即将出现。
16世纪,在德国的安德纳赫发现了一种类似于火山灰的火山灰,可用作制造工具的有用材料。一位砖瓦匠尝试在石灰砂浆(一种与混凝土非常相似的混合物)中使用灰分,并了解到所得材料更坚固且防水。结果是一个连锁反应,导致了现代水泥的产生。
17世纪,荷兰人开始向法国和英国出售trass。横梁用于需要水力学性能的建筑物。在不断的冲突和竞争中,法国和英国开始努力创造自己的水工建筑材料。不过,英国人有优势。他们有约翰·斯米顿。
斯米顿被誉为土木工程之父。他创建了一个空气压力对物体速度影响的公式,其中包含“Smeaton系数”。在罗马沦陷和混凝土秘密丢失一千多年之后,斯米顿重新发现了制造水泥的方法。
在年代中期,Smeaton受委托在英格兰南部海岸附近的EddystoneRocks上一个麻烦的栖息处建造一座灯塔。现场的三座灯塔已全部被毁。一个人过不了冬天。第二个在飓风中倒塌。最后一个内部是木制的,在灯光下着火并烧毁在地上。Smeaton迎接挑战,决心建造世界上最坚固的灯塔。
这位英国土木工程师对已知的液压材料进行了试验。他把石灰球(石灰石的熟版)卷起来,扔进沸水里。石灰自己溶解了,但与草接触的石灰忍受了。Smeaton然后测试了来自一个名为Aberthaw的小镇的石灰石,将其放入水中和一种用于分离矿物质的硝酸溶液中。实验表明,大约十分之一的阿伯肖石灰石含有粘土。Smeaton注意到了这种石灰岩粘土砾岩的高强度。今天我们称这种材料为天然水泥。
灯塔建于年至年之间,使用的是斯米顿的水硬性水泥填充砂浆。在岩石开始侵蚀之前,它在埃迪斯通岩石上屹立了一个多世纪。年,灯塔在英国普利茅斯被拆解重建。
英国的每个商人都想利用这种新型建筑材料。出于营销目的,制造商开始将他们的天然水泥称为“罗马水泥”。混凝土行业的欺骗会随之而来,幸运的是,会导致更坚固的材料。
骗子
JosephAspdin是来自英国利兹的瓦工。在年代,他会步行到镇上铺好的道路,并偷取石灰石砖。他被罚款两次,但这并没有阻止石灰石小偷在他的材料科学测试中偷走砖块。
历史记录有点参差不齐,但我们知道Aspdin设法发明了他自己的水泥混合物。他以石灰岩覆盖的波特兰岛命名为“波特兰水泥”。就像“罗马水泥”这个词一样,“波特兰水泥”这个名字成为了一种营销计划。但约瑟夫·阿斯普丁不是骗子——他的儿子威廉才是。
大约在这个时候,有一种常见的工程实践,称为泥浆混合,其中粉状(但未窑)的石灰石与粘土和水混合。混合物变成糊状。然后将糊状物烧成固体并粉碎,将其变成水泥粉末。如果糊料窑烧得太久,产生的物质,称为“熟料”,通常会被扔掉。
WilliamAspdin决定测试不需要的熟料碎片。年轻时,威廉离开父亲前往伦敦寻找自己的出路。他开始从水泥制造商手中拿走熟料。他没有雇员,也没有窑炉。他所做的只是用锤子敲击熟料将其分解。一旦熟料与其他水泥材料混合,结果就是一种新水泥,多年后,一家独立公司证实其强度是“罗马水泥”的两倍。
威廉阿斯普丁创造了一种比其他水泥更好的水泥,但他继续寻找对水泥行业一无所知的投资者,向公众对他的产品撒谎,欺骗他的合作伙伴,然后重新开始。
在给他的第一家水泥公司的通知中,威廉着手确定他未经证实的产品的有效性。他写道,他的水泥在英格兰北部已经存在多年,欺诈性地声称他自己的“波特兰水泥”与他父亲开发的配方相同。
威廉的公司设法买下了另一家水泥厂,但不到一年,公司就破产了。威廉找到了新的缺乏经验的投资者,并利用他以前的一家工厂创办了一家新公司。他发表了更多的谎言。这一次,他声称他父亲的波特兰水泥自年就已经存在,并且它被用于英格兰最艰苦的建设项目之一:泰晤士隧道。在当时的建设项目中,数名男子因洪水而丧生。威廉声称,当河流渗入隧道时,工人们使用波特兰水泥修补漏洞。这些故事背后的现实是,这些洞是用粘土修补的,年,约瑟夫·阿斯普丁(JosephAspdin)仍在街上偷石灰石。
关于威廉的第二次合作如何结束的记录也很少,但他的第三次创业有据可查。一天,董事会授予威廉英镑用于投资工厂。威廉被指示购买一台蒸汽机——他照做了,只花了80英镑。剩下的钱进了威廉的口袋。
在得知他伪造了收据后,董事会对威廉进行了调查。他们很快就知道他从一开始就欺骗了他们。他挪用了分配给公司的资金。他创造了假员工的记录并将工资带回家。威廉出去了。
但不长久。他很快找到了另一个投资者,并开始了第四家水泥业务。大约在这个时间——在年代——竞争公司试图找出他的波特兰水泥的配方。为了隐藏他对水泥混合物过度烧制的秘密,威廉在他工厂的露天地板上展示了不同的化学品,让每个人都能看到。尽管如此,威廉最终还是停止支付工厂租金,并因长期欠债而被捕。他的第四次合作结束了。他搬到德国,从水泥生意跳到水泥生意,然后摔倒并撞到头。他于年去世,享年48岁。
一个半世纪后,我们仍然使用骗子的波特兰水泥。
现代混凝土的诞生
在年代中期,大多数工业化国家都在自己生产波特兰水泥。大约在这个时候,美国、英国和法国都有相同的想法来增加混凝土的抗拉强度,或者说它抵抗外力的能力。混凝土可以浇在铁条上以形成钢筋混凝土。
在年代,一位名叫ErnestRansome的加利福尼亚工程师正在创办自己的建筑公司。Ransome注意到钢筋混凝土容易开裂,随后显着减弱。他决定对钢筋进行试验,使用2英寸长的铁棒看它们是否能与混凝土结合。实验很成功。Ransome然后尝试根据混凝土的所需形状扭曲铁条。它就像一个魅力。工程师将他的想法称为Ransome系统。今天我们称它为钢筋或钢筋,现代工程师通常使用钢材。
Ransome的第一座钢筋混凝土建筑是旧金山的北极石油公司仓库,于年竣工。它在年左右被拆除。Ransome后来在旧金山建造了世界上现存最古老的钢筋混凝土结构阿尔沃德湖大桥。年,世界上第一座混凝土摩天大楼——辛辛那提的16层英格尔斯大厦竣工。Ransome本人没有参与摩天大楼的建设,但如果没有他的钢筋方法,这是不可能的。
Ransome的技术会比他活得更久。著名建筑师弗兰克劳埃德赖特为钢筋混凝土在现代建筑中的使用铺平了道路。因为混凝土被倒入模具中,所以它可以形成即使是最熟练的泥瓦匠也无法达到的形状。
赖特的第一座混凝土建筑是伊利诺伊州橡树园的团结寺。在有限的预算下,雕刻在模具中的唯一设计是建筑物顶部的玛雅风格装饰。混凝土被非常缓慢而细致地倒入模具和钢筋之上,以确保其顺利凝固。建造时间为年至年。由于使用钢筋混凝土,团结寺被许多人认为是世界上第一座现代建筑。
赖特将成为美国最杰出的建筑师。他将混凝土纳入他的许多设计中,并且在年,这种材料在他最著名的作品中大量使用:宾夕法尼亚州MillRun的Fallingwater。如果没有Ransome的钢筋混凝土,就不可能有落水。有几个无支撑的悬臂或突出的梁,只有具有令人难以置信的高抗拉强度的材料才能支撑起来。Fallingwater背后的想法是将人类与自然无缝融合,而Wright设法做到了这一点。该建筑是美国国家历史地标,被认为是美国历史上最伟大的建筑作品之一。
自从Ransome开发出完美的钢筋以来,混凝土已被用于建造各种类型的纪念性建筑和基础设施工程。年,一位名叫乔治·巴塞洛缪(GeorgeBartholomew)的人在俄亥俄州贝勒方丹(Bellefontaine)建造了第一条混凝土街道。法国沙勒罗的维埃纳河大桥建于年,是世界上最著名的钢筋混凝土桥梁之一。运河和巴拿马运河一样,也是由混凝土制成的。世界大战期间建造的工厂、办公室和掩体都使用混凝土。在胡佛水坝于年完工以阻挡强大的科罗拉多河,包含万立方码的混凝土,另外万立方码用于发电厂和周围的结构。美国州际公路系统建于年至年之间,也是由钢筋混凝土制成。世界上一些最坚固的建筑依赖于混凝土地基。其他的,比如悉尼歌剧院,被认为是他们国家的象征。然而,即使是现在,在这个21世纪的混凝土丛林中,仍有可能改进著名的灰色建筑材料。
混凝土的未来
钢筋使现代世界成为可能。但就寿命而言,钢筋混凝土无法与罗马人使用的混凝土相提并论。当周围的混凝土固化时,钢筋会氧化。几十年来,它生锈。钢筋将膨胀到足以在混凝土中产生裂缝。据ConcretePlanet称,一般而言,现代混凝土可以使用大约一个世纪而无需大修或更换。我们的许多结构令人印象深刻的抗拉强度只是暂时的,维护它们的成本很高。例如,UnityTemple的修复工程耗资0万美元。
海水对钢筋特别有害,因为盐会在短短五年内腐蚀钢材。水会以小孔的形式自然渗入,最终在混凝土结构上形成小裂缝。冻融循环也会在混凝土道路上留下裂缝,虽然撒盐会阻止结冰,但它会像海水一样伤害钢筋。如果我们能复制塞巴斯托斯港的罗马混凝土,这种混凝土适合万神殿,众神之家。
最近的一份报告表明这是可能的。我们知道火山灰火山灰是古罗马混凝土强度的基础,尽管我们还没有拼凑出完整的配方。7月,研究人员宣布他们将使用加利福尼亚海岸附近的类似火山灰,试图解开这个古老的谜团。目标是对创造历史上最耐用混凝土的过程进行逆向工程。
罗马混凝土不仅防水,而且在与海水接触时实际上会增强。人们认为,当浸入水中时,古老的混凝土中会生长出微小的晶体,因此非常适合像古代以色列的塞巴斯托斯港这样的结构。
正如人们可能想象的那样,罗马混凝土的抗拉强度比钢筋混凝土弱,但其抵御侵蚀和风化的能力是无与伦比的。罗马的秘密混凝土配方与现代钢筋工程技术相结合,可以让混凝土再次彻底改变基础设施和建筑。