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还是要相信科学嘛,古罗马就有的混凝土技术并不神奇

图片:Yestone.com 版权图片库

古罗马的混凝土技术为什么会失传?

猪小宝,博士僧 | 一级注册结构工程师

失传有两层含义:一层是说古罗马帝国覆亡后的几百年间,这项技术被世人遗忘;另一层是说我们今天已经知道了古罗马混凝土的工艺,但是出于种种原因,我们并不打算不加修改的按原样使用这种技术。

第一层含义,也就是「为什么古罗马帝国覆亡之后的几百年间,欧洲不再生产混凝土」,这其实更多的是历史原因。

古罗马帝国覆亡之后的相当长一段时间,欧洲很少有大规模的公共建筑和城市建设,经济文化发展也趋于停滞。兵荒马乱的,有枪就是草头王,谁还有那功夫盖万神殿。玩过文明 5 的同志都知道,奇迹误国啊!君不见秦朝的长城和隋朝的运河,都是惨痛的教训啊同志们!

所以呢,那些祖传的泥瓦匠根本找不到工作挣不到钱。如果他们再不改行,那就离饿死不远了。那时候并没有完善的大学、图书馆、互联网这些人类知识共享和保存的平台,烧制火山灰水泥的技术都是由泥瓦匠们祖祖辈辈的师傅教徒弟一代一代口传心授传承下来的。一旦他们迫于生计,大规模转行,这些知识逐渐被人遗忘也就不足为奇了。

另外,要考虑到当时的交通和信息都不通畅,如果没有一个强有力的大一统帝国,大规模的转运和调配建筑原材料是几乎不可能完成的。即便是拜占庭的东罗马帝国保存了这些知识,但是拜占庭附近没有火山,所以也就没有生产古罗马混凝土所必需的大量火山灰。如果硬要从很远的地方转运大量火山灰来建造混凝土建筑,那还是那句话,奇迹误国啊!拜占庭没有火山这一条就决定了东罗马帝国无法继续生产混凝土。

现在你知道文明 5 里出生地和自然奇观的重要性了吧!

对于第二层含义,也就是「为什么我们今天不使用古罗马的混凝土工艺来生产现在的混凝土」,这个得好好解释一下。

说白了,单单从技术层面说,古罗马的混凝土技术并没有什么太「神奇」的地方

同志们,我跟你们讲,还是要相信科学滴,不要相信地摊文学嘛。这个盲目的崇古是要不得的嘛。

首先,在正式开始讲古罗马混凝土是怎么回事儿之前,先明确一下我们容易混淆的几个概念:

  • 水泥:这个大家可能都知道,有专门生产这个的水泥厂。我们一袋一袋的买回来,里面是灰色的粉状物体,看上去跟面粉的质感类似,就是颜色不一样。
  • 水泥浆:水泥浆 = 水 + 水泥。这个就跟包饺子的时候和面类似,水泥加水搅拌,然后等一段时间,就干成一个疙瘩了。有时候买回来的水泥开封之后没有保管好,或者下雨的时候进了水,干了之后这袋水泥就变成一个大疙瘩了。水泥浆并没有特别的用处,结出来的疙瘩强度非常低,大家可以试一试,小块的一掰就碎,大块的锤子一敲就散架。
  • 水泥砂浆:水泥砂浆 = 水 + 水泥 + 砂子。这个大家应该很常见,比如家里装修要铺地砖或者铺墙面瓷砖,一般来说,工人师傅和的就是这个,然后抹到瓷砖背面,然后摁到地上或者墙上。等砂浆干了之后,瓷砖就和地面或者墙面粘接在一起了。
  • 混凝土:混凝土 = 水 + 水泥 + 砂子 + 碎石。过去大家可能看到过工地现场制备混凝土,就是一个倾斜的搅拌机,然后工人师傅把水、水泥、砂子、碎石倒进去,然后开动机器,咣当咣当一阵搅拌,再倒出来就是混凝土。趁混凝土凝固之前,把混凝土倒进事先准备好的模板,等混凝土凝固之后,就得到了我们想要的混凝土构件。这种工地现场自己搅拌混凝土的做法,效率很低,质量不好控制,而且噪音和其它污染都不小。所以现在的混凝土工业,已经实现了工业化生产,也就是专门的搅拌站准备好大量的原材料,工地需要混凝土的时候提前订购,到时候搅拌站用大型工业化机器搅拌好混凝土,然后用混凝土罐车运到现场,现场就可以直接浇筑了。我们在马路上看到正在行进中的混凝土罐车,很多搅拌罐还在持续转动,那就是为了防止混凝土在路上给提前凝固了。
  • 钢筋混凝土:钢筋混凝土 = 混凝土 + 钢筋。如果单纯的把上面我们说的混凝土倒进模板,凝固之后拆模,出来的叫素混凝土。如果提前在模板内放置好按照受力情况而精心配置的钢筋,然后再浇筑混凝土,混凝土凝固之后,就会和被浇筑里面的钢筋一起受力,这就叫钢筋混凝土。我们今天的高楼大厦,绝大多数都是钢筋混凝土做成的。

明确了这几个概念,我们再来看看今天的水泥到底是什么东西,为什么水泥加上水之后就能变成硬疙瘩并且把砂石牢靠的粘结在一起,组成混凝土这种新的复合材料。

大家可能都知道黏土是什么,比如说,景德镇附近出产的高岭土就是一种黏土。把黏土放进土窑里高温烘烤,出来的就是陶瓷。黏土从化学角度说,其实是含水硅酸铝盐,烧结之后形成的陶瓷,一般来说是二氧化硅和硅酸盐的结晶。

大家可能也知道石灰是什么,把天然石灰岩放进土窑里高温烘烤,出来的就是生石灰。化学反应很简单,天然石灰岩就是碳酸钙,碳酸钙受热分解成了氧化钙和二氧化碳。氧化钙就是生石灰,一旦再加上水,氧化钙就会和水反应,生成氢氧化钙,也就是熟石灰。熟石灰就可以用来抹墙灰,很多老电影里拍的那种老房子,墙面暗黄无光泽的那些,很多就是直接抹的熟石灰。有的里面还混合了铡刀铡出来的稻草或者秸秆碎片,妥妥的高科技纤维增强复合材料。

如果把黏土加上石灰岩一起放进土窑里烧呢?那就复杂了。

简而言之一句话,如果温度足够高,最终烧出来的就是水泥。

这种方法烧出来的水泥,主要成分是硅酸钙,确切的说是硅酸三钙(3 氧化钙·1 二氧化硅)和硅酸二钙(2 氧化钙·1 二氧化硅),还有一部分其它的铝盐、铁盐等等。

简便起见,我们一般把这些主要的硅酸钙用 CS 表示,省略掉化学式里表示氧的 O。在硅酸盐 CS 里,C 表示氧化钙,来自原料里的石灰岩,S 表示二氧化硅,来自原料里的黏土。

同样用这种表达方法,水也就是一氧化二氢,省略掉 O 之后,可以直接用 H 表示。

这样,我们买来水泥之后,再加上水搅拌,这时候发生的反应其实是:

CS + H → CSH + CH

用人类的语言就是:

硅酸钙 + 水 → 水化硅酸钙 + 氢氧化钙

水泥之所以加水之后变成硬疙瘩,之所以能把砂子、碎石、钢筋可靠的粘结在一起,就是因为水化硅酸钙提供了所需的强度。换句话说,最终起作用的是 CSH。

而附带着生成的 CH,也就是氢氧化钙,事实上是个猪队友,对强度并没有起到太大的作用,而且由于它先天骨质疏松,容易导致混凝土漏水、渗透、开裂等等,实在不是个省油的灯。

所以说,现代混凝土工业的目标之一,就是在一定的成本范围内,让我们制作出来的混凝土,能有更多的 CSH 和更少的 CH。

好,上面我们说完了现代水泥的原理。注意到,要想制作这样的现代水泥和现代混凝土,事实上在烧水泥的那一步,需要消耗大量的燃料,因为「黏土加石灰岩进去,水泥出来」这个过程,一般来说,反应温度在 1500 到 1600 摄氏度左右,而且需要维持这个温度很长很长一段时间。考虑到水泥的产量之庞大,这个过程消耗的能源是惊人的。

这也是古代很难制备水泥的其中一个原因,因为古代的工艺水平和燃料供给,可能很难做到大规模、长时间、大体量的维持如此之高的温度来烧制水泥。

那这位看官就说了,为什么古罗马人就能制作出水泥和混凝土来呢?万神殿就是证据。难道他们那时候就掌握了可以大规模长时间维持 1500 度以上烧窑的天顶星技术?

事实上呢,古罗马的「水泥」和我们今天所说的「水泥」在化学意义和技术层面上并不是一个东西。

众位看官且听我慢慢道来。

如果我们再回顾一下我们上面说的现代水泥加水之后的化学反应:

CS + H → CSH + CH

(硅酸钙 + 水 → 水化硅酸钙 + 氢氧化钙)

最终起主要作用的是 CSH,另一个产物 CH 只是顺带产生的猪队友。

也就是说,我们最终要的是 CSH,哪怕我们一开始的原材料并不是 CS,只要保证反应之后最终出来的是 CSH,那就够了。

CSH 里的 C 好解决,烧石灰就行,温度要求很低,工艺也很容易,烧出来的石灰就是氧化钙,完美的 C。

CSH 里的 H 更好解决,就是水。

现在就缺 S 了,也就是氧化硅。现代水泥 CS 里的 S 是 1500 摄氏度烧黏土烧出来的。那时候没有这种技术水平,到哪里去找氧化硅 S 呢?

在罗马以南 200 公里左右,非常靠近今天的那不勒斯的地方,有一个小镇叫 Pozzuoli,那里有一个大型火山群,叫做 Campi Flegrei。这个地方也是罗马神话里火神 Vulcan 居住的地方。今天英语里火山这个词 volcano,也是打这个罗马火神这儿来的。

在这大量的火山附近,罗马人民找到了大量的火山灰。天上掉下个大馅饼,火山灰几乎就是纯的二氧化硅粉末,也就是罗马人民急需的 S。

这一片火山就是大自然送给罗马的「水泥厂」,持续高温的火山主动给罗马人民烧出来这么多 S。

好了,万事俱备了。

古罗马混凝土 = 水 + 生石灰 + 火山灰 + 砂子 + 碎石。

跟现代混凝土对比一下,很容易发现,唯一的区别就是古罗马用「生石灰 + 火山灰」代替了现代的「水泥」。

那这古罗马「生石灰 + 火山灰」加上水之后的化学反应是什么样的呢?

加水之后马上进行的就是石灰跟水变成熟石灰,也就是氢氧化钙。用符号表示,就是 C + H → CH

接下来就是一个漫长的化学反应:

S(Pozzolan) + CH + H → CSH

用人类的语言就是:

氧化硅(火山灰)+ 氢氧化钙 + 水 → 水化硅酸钙

通过这个反应,火山灰中的活性硅成分与熟石灰反应,最终合成了我们想要的 CSH。这个反应也被称作 Pozzolanic reaction,名字就来源自古罗马的这个地名。

注意,火山灰跟石灰的这个反应过程非常非常漫长,远远慢于我们今天用的现代水泥。

好,现在我们对比一下现代水泥和古罗马「水泥」加水之后的化学反应。实际上,这两个算是殊途同归,反应物不同,反应速度不同,但产物都是大量的 CSH。

  • 现代水泥:CS + H → CSH + CH (反应时间很快)
  • 古罗马「水泥」:S(Pozzolan) + CH + H → CSH (反应时间很慢)

下面就是有趣的地方了。我们说现代水泥的反应,不仅产生了我们需要的 CSH,同时也产生了很多猪队友 CH。但是呢,我们又发现这个猪队友 CH 同时也是古罗马那个反应的反应物。

如果我们把这两个反应结合起来,岂不就能把 CH 这个猪队友变废为宝吗?

想象这样一种「水泥」,由现代水泥和火山灰混合而成,也就是 CS 和 S(Pozzolan) 的混合物。

这种「水泥」在加水之后,首先迅速参与反应的是 CS,也就是现代水泥的那个反应:

CS + H → CSH + CH

这第一步反应完成之后,CS 全变成了 CSH 和 CH。同时还剩下那些没有参加第一步反应的火山灰 S(Pozzolan) 和多余的水。

换句话说,这时候里面的成分是 CSH、CH、S 和 H。

已经生成的 CSH 保持不变,剩下那三个继续反应,也就是古罗马那个 pozzolanic reaction:

S(Pozzolan) + CH + H → CSH

这样,第一步生成的猪队友 CH 又在第二步里和火山灰反应,统统都变成了 CSH。

把这两个反应加起来,看两步总的效果,写一个总的表达式:

CS + S(Pozzolan) + H → CSH

完美!

我们尽量多生成 CSH 的目的圆满完成了!

有看官说了,你这里说的天花乱坠,真的有这种水泥吗?

当然有了,现在的工程中应用了大量的这种水泥,也就是不仅仅有 CS,还有额外添加的氧化硅 S 成分。

现在的工程界,一般来说,传统意义上的现代水泥,也就是只有硅酸钙 CS 的,通常叫做 Portland cement,也就是中文的波特兰水泥;CS 再加上额外的氧化硅组成的这种更高效的水泥,通常叫做 Blended cement。

看官又说了,不对啊,全世界水泥消耗量这么大,哪来的那么多火山灰来配搭呢?

我们上面说了,古罗马因地制宜,因为挨着火山近,得来全不费工夫,所以就用火山灰。

我们现在是现代社会了,如果还拘泥于天然火山灰,岂不是食古不化了么?

事实上,我们要的不是火山灰,我们要的其实是火山灰里面的氧化硅,也就是我们反应式里的 S。

不管是不是火山灰,只要富含氧化硅就行。

在我们今天这个工业社会,氧化硅这东西多的是,比如粉煤灰、比如炉渣、比如微硅粉,这些主要成分都是氧化硅,而且它们还全都是工业副产品。

这些粉煤灰、炉渣、微硅粉,如果不拿去做水泥,基本上没有太多别的用处,只能当垃圾扔掉,而且还都是污染环境的垃圾。

比如说,火力发电厂燃烧煤炭之后生成的大量粉煤灰,就是大气污染中 PM 2.5 的主要来源之一。如果任其飘散,那就是大气污染源。如果在电厂安装完善的回收设备,将粉煤灰集中起来,然后跟传统波特兰水泥混合起来,生产成我们这里说的新型高效能水泥,那简直是一箭双雕,既变废为宝,又保护了环境。

在混凝土工业中,这些富含氧化硅的工业废料,比如粉煤灰、炉渣、微硅粉,一般统称为 SCM,也就是 Supplementary Cementitious Materials。比如说,美标 ASTM C595 中,Blended 水泥就包括:Type IS,Portland-Slag(波特兰水泥 + 炉渣);Type IP,Portland-Pozzonlan(波特兰 + Pozzonlan 反应物,主要是粉煤灰)。

最后,我们对比一下我们提到的这三种工艺作为总结:

1. 古罗马混凝土 = 生石灰 + 火山灰 + 水 + 砂子 + 碎石。

古罗马「水泥」(实际是生石灰 + 火山灰)的化学反应,这个反应很慢,获得强度需要等很久:

S(Pozzolan) + CH + H → CSH

氧化硅(火山灰)+ 氢氧化钙 + 水 → 水化硅酸钙

2. 现代传统混凝土 = 水泥 + 水 + 砂子 + 碎石。

传统水泥(波特兰水泥)的化学反应,这个反应一般比较快:

CS + H → CSH + CH

硅酸钙 + 水 → 水化硅酸钙 + 氢氧化钙

3. 现代高效能混凝土 = 水泥+ SCM + 水 + 砂子 + 碎石。

Blend 水泥(水泥 +SCM)的化学反应:

S(SCM) +CS + H → CSH

氧化硅(粉煤灰、炉渣等 SCM)+ 硅酸钙 + 水 → 水化硅酸钙

像我们上面说的,现代高效能混凝土这个反应其实是分两步走,第一步就是现代波特兰水泥的水化,提供很好的早期强度,第二步就是古罗马的那个工艺,只不过用现代工业的粉煤灰、炉渣代替了古罗马的天然火山灰,慢慢慢慢提供更多的强度。简单说,把上面两个工艺的优点合二为一。

这就是古罗马混凝土工艺留给我们的遗产,我们也是在古罗马工艺的启发之下,才有了这些高效能的变废为宝的新型水泥。

您说,这古罗马的混凝土工艺到底算不算是失传呢?

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