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人类用了9000多年的混凝土,你却未必了解

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发表时间:2021-07-31 00:36

什么是人类历史上最伟大的资料?恐怕非钢筋混凝土莫属。小到我们住的居民楼,大到跨海大桥、摩天大楼、公路高铁……人类文明的每一个角落都充满着混凝土。

  一堆砂子、一堆石子、几袋水泥和一桶水,搅拌平均,砌成你想要的外形,过几天就可以变得硬如岩石,无怪乎工程师们造了一个字:砼(tong2)来表示混凝土,人工石嘛!很生动抽象有木有?


右边是水泥,它加了砂子、石子和水之后才叫混凝土,可不要搞错了
(一)混凝土的历史与人类文明一样长远

  混凝土的运用要追溯到9000年前。在公元前7000年,以色列王国的加利利城就运用了简易的“混凝土”制造地板,事先的人运用煅烧的生石灰与砂子混合,在空气中迟缓硬化,最初竟然构成了强度。后来,罗马人又在这种资料根底参加自然的火山灰,制造了表现更好的“混凝土”。正是用这种朴素的自然混凝土资料,罗马人建筑了庞贝的大体积剧院、浴室和遍及城市的下水道。


七千年前的以色列加利利城,地板运用的就是“水泥”
  不过,那时的人们并不清楚混凝土的原理,只是拿着自然资料相互混合,质量也不波动。随着古罗马帝国的兴起,没有了庞贝火山自然的优质火山灰,这项技术也就失传了。

  不断到1824年,英国的花匠阿斯普丁将石灰石与黏土混合煅烧,构成了我们当代人运用的水泥的前身,但是,用它制造的混凝土在事先并没有比其它建筑材料强多少,因而销路并不好。

  在19世纪初,自然石材还是建筑材料的主流,而事先世界上**的修建石材产自波特兰。为了翻开销路,商家动了个歪心眼:把事先的水泥起名为“波特兰水泥”,让人误以为它和波特兰石有什么关系,进而忽悠大家来买。


与水泥并没有什么关系的波特兰石——除了颜色有一点像
(二)在迷信的加持下,混凝土一骑绝尘

  虽然古代混凝土刚降生时分非常不幸,但随着迷信提高,混凝土开端逐步发起了光。

  1887年,法国科学家亨利发现了水泥的真实组分,接下来的几十年里,水泥水化构成强度的机理开端逐步为人所知。掌握了原理,科学家们开端逐渐改进水泥的烧制工艺,总结出混凝土的配比与强度规律,再按照规律,依据需求来选择适宜的混凝土配比。

  终于到了20世纪中叶,一个典型的建筑工地曾经不再是小工一筐一筐地搬砖,然后瓦工一块一块地砌好;而是工人支好模板、拌好混凝土,捆扎钢筋笼,再将混凝土一股脑地倒上去,用振捣棒之类的东西来回振捣密实,最初抹平。相比起老老实实地砌砖,真实是优越到不晓得哪里去了。


20世纪典型的混凝土施工场景
  你以为这样就足够了吗?差得远呢!

(三)庞大的建立量,逼迫科学家们想新的方法

  到了20世纪前期,随着全世界土木工程建立量的增大、高层建筑的添加和劳动力本钱的上升,人们逐步发现,混凝土也没有那么“万能”了。

  大楼施工到了30层,要把混凝土吊到100米的地面,光是这一步就要了亲命:这一斗一斗地吊上去,要多少天才干吊足一层的用量。等吊上去,混凝土早就硬了。好不容易把混凝土都吊上去,要把它平整无缝隙地铺满一层,又要上百个工人拿振捣棒振上一个下午。照这样下去,一栋摩天大楼盖好,一代人都过来了。

  随着大楼越盖越高,对混凝土的强度要求也越来越大。要想混凝土强度高,就要少加水。可是加水少了,混凝土又拌不开。这样一来,混凝土就变得越来越不好用。这可怎么办呢?


干硬的混凝土搅拌不开,就会构成孔洞,严重危害平安
  答案就是运用“减水剂”。在混凝土中参加减水剂,只需一点点,就可以让混凝土变稀。它经过让水泥颗粒带上同种负电荷,互相排挤,让水泥颗粒就像一颗颗滚珠一样相互脱离,从而加强混凝土的流动性。


减水剂任务原理,将水泥颗粒分散开
  加了减水剂之后,最不言而喻益处就是可以增加混凝土的用水,让混凝土的内部结构愈加致密,不只强度大幅提高,而且孔隙少了,耐久性也变得更好了。

  同时,它又让混凝土易于活动,便于成型,不再需求费时费力地振捣了。以上这些都还不是最重要的。最重要的是,减水剂的引入,开启了混凝土保送新世界的大门:泵送!

  加了适宜比例的减水剂之后的混凝土,可以像水一样活动。这样一来,混凝土就不用再像过来那样一斗一斗地吊上楼,而是直接拿根钢管,一端通向楼顶,另一端通向一台强力泵车。

  强力泵将混凝土顺着钢管泵上百米地面,楼上再也不需求上百个工人拿着振捣棒一处一处振捣了,只需有几个工人操纵泵管就好。混凝土泵到了楼上,自动就会流平,工人只需适当地用振捣棒“修整“一下外形就好。几滴小小的减水剂,束缚不计其数的劳力,同时也大大放慢了施工速度。


21世纪的混凝土浇筑场景
(四)古代混凝土的面前,学问不小

  光有减水剂,就能制出下面说的这种高性能混凝土吗?显然,事情远没有那么复杂

  其实,单纯的减水剂不是个稀罕东西,早在1930年代,美国人就曾经创造了混凝土减水剂并请求了专利。到1980年代,当代最常用的聚羧酸减水剂也被创造了出来。

  但是,在混凝土的实践运用中,成绩还是相当多。有时候,混凝土加了某种减水剂,凝结速度特别慢,浇筑之后迟迟不凝结,影响工程。更坏的状况是,混凝土加了减水剂可凝结速度变快了,在泵管里爬到一半就把管堵上了。有时候混凝土泵上去之后,发现明明混合得很好的水泥浆、石子和砂子分分开了,石子沉在最底下,最下面还浮着一层水:离析了。这样的混凝土只能直接打掉作废——没错,还要用料斗一斗一斗地运到楼下去。

  除了减水剂,混凝土中的费事事儿还多着呢。水泥和矿物掺和料的比例和品种会影响混凝土的强度、凝结工夫和流动性。就连我们以为“只是占个中央“的砂子和石子,也必需满足良好的级配。假如石子的尺寸稍有不对,那么即便减水剂用得再多再好,由于石子之间的阻力,混凝土也很难泵得动。

  这些恼人的成绩随同着混凝土技术的开展一直存在。泵送混凝土看起来酷炫,用起来麻烦事多着呢!

(五)高性能混凝土研讨重担交给了中国

  从21世纪开端,发达国家的建立逐步停了上去,而中国超高层修建建立开端了井喷式的开展。仅2016年一年,中国就建成了84栋200米以上的高楼。这样,处理高性能泵送混凝土各项“疑难杂症”的重担就落在了中国工程师们的头上。

  泵送混凝土的质量,直接关系到超高层修建平安。为此,各大科研院所、施工单位都参加到了这项严重课题的攻关当中。

  泵送混凝土的凝结工夫是施工的重中之重。对此,国际建材企业投入少量精神展开对混凝土外加剂的研讨。目前,新型的外加剂早已不是过来那种单纯的减水剂了,而是集减水、缓凝、引气等成效于一体的高效外加剂。混凝土强度需求多强、要泵多高,甚至罐车到工地要多久,都可以思索在内,进而调整外加剂的品种和用量。

  此外,不起眼的骨料也是研讨的重点。高性能的混凝土绝不是随意用些石子就可以的,而是大石子、中石子、小石子按比例混合,级配优秀,并与砂子的尺寸无缝衔接。这样可以**限制进步流动性、减小浆体的用量和对泵管壁的磨损。


骨料的级配优化后,流动性和密实度都失掉了提升
  除了混凝土自身保送混凝土的泵管也大有学问。在中国尊等超高层工程的建立中,泵管上都密布各种传感器,既要测量并监控混凝土的泵压,又要监测泵管的磨损状况、及时交换磨损严重或许梗塞的泵管。别看混凝土脏兮兮的,每一步的面前精细得很。

  经过多方面的研讨与海量的工程经历,中国科研人员终于在高性能泵送混凝土范畴做出了宏大打破。2015年7月7日上午,全球初次混凝土千米泵送实验在华南**高楼取得成功。这意味着,中国曾经完全掌握了千米高楼建立的核心技术和关键的数据资料。

  关于中国人来说,千米高楼的建立曾经不再有技术上不可逾越的妨碍了。中国不仅仅是在高度上抢先经过千米泵送运输到位的混凝土强度到达了100兆帕,比普通摩天大楼运用的混凝土强度还高上一倍。此外,混凝土的凝结工夫、离析水平乃至对泵管弯角处的磨损水平失掉无效的控制。

  好像一百年前一样,如今,相比起工程上的成功,中国的科学家们更关注的,是成功面前的机理,包括流态混凝土的流体力学规律,还有水泥浆体水化的深层次缘由等。在将来,掌握了愈加实质迷信原理的人类,一定可以将混凝土这个“九千岁”,玩出更多的新花样,更好地造福人类。

结语

  中国基建的疾速开展,对混凝土技术的需求非常迫切,这促使中国在高性能泵送混凝土方面获得了许多打破。从泵送混凝土的凝结工夫到骨料配比再到保送混凝土的泵管,中国先后处理了高性能泵送混凝土的各项“疑难杂症”,千米高楼的建立曾经不再有技术上不可逾越的妨碍

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李建伟
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