1700545456
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544652]
1700545457
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 加水多少是关键
1700545458
1700545459
任何化学反应都一样，只要成分比例不对，结果就是一团糟。混凝土中如果加水过多，水泥里头就没有足够的硅酸钙能和水反应，水分就会残留在结构体内，使得混凝土强度减弱。但是加水太少又会让部分水泥无法和水反应，同样会削弱混凝土的强度。混凝土出问题通常是人为疏失的结果，但有时可能不会实时发现，所以常常到建筑完成多年，建筑商早就拍屁股走人后才发生巨灾。
1700545460
1700545461
2010年海地强震损失惨重，问题就出在房屋兴建不当和混凝土质量欠佳。据估计，当时有二十五万间房屋倒塌，三十多万人死亡，上百万人无家可归。更糟糕的是海地并非特例，全球各地都有这种混凝土不定时炸弹。
1700545462
1700545463
追查人为疏失有时很难，因为混凝土从外表看来一切都好。美国肯尼迪机场的主任工程师曾在进行例行查核时，发现中午前送来的混凝土凝固后强度很够，中午过后不久送来的混凝土却弱了许多。他不晓得这是怎么回事，追查了所有可能原因也找不到答案，直到他跟着水泥车到机场才恍然大悟。他发现水泥车司机在中午时通常会休息吃饭，然后用水管为混凝土加水，因为司机以为加水能让混凝土维持液态更久。
1700545464
1700545465
碎片大厦的工人在挖土兴建地基和支承架构时，发现了现代混凝土的前身，也就是罗马混凝土。旧南华克大楼旁有一家我常去的炸鱼薯条店，工人拆除店面时挖到了古罗马浴池遗迹，那些混凝土就是在那里发现的。古罗马人很幸运，不用亲自实验把不同比例的岩石粉末加温至白热，因为拿坡里附近一个叫作波佐利（Pozzuoli）的地方就有现成的水泥。
1700545466
1700545467
波佐利臭气熏天，真的很臭。这个意大利地名来自拉丁文putere，意思就是发臭，气味是从附近火山砂传来的硫黄味。往好处想，这一带数百万年来接收了大量的岩浆、火山灰与浮石。火山灰来自火山口喷发的过热硅酸岩，过程很可能跟现代水泥的制程类似。古罗马人只需要忍受臭味，把数百万年来堆积的火山岩粉末挖走就好。这种天然水泥和现代的波特兰水泥略有不同，需要添加石灰才能凝固。然而古罗马人一旦搞清楚这一点，并掺入石头增加强度，他们就成为人类史上第一个拥有混凝土这个独一无二建材的民族。
1700545468
1700545469
1700545470
1700545471
1700545472
碎片大厦工程人员发现的古罗马浴池遗迹
1700545473
1700545474
砖造建筑的组合特性是它受欢迎的原因。砖是砖造建筑的基本单位，刻意做成手掌大小，以利单人作业。混凝土和砖非常不同，它起初为液体。这表示混凝土建筑可以用浇注法做出连续体结构，从地基到屋顶一气呵成，没有任何接点。
1700545475
1700545476
混凝土工程师的绝招是：你要地基，我们就灌地基给你；你要柱子，我们就灌柱子；要楼面就灌楼面。你要两倍尺寸？没问题；想要弧面？当然可以。只要开得了模，混凝土什么结构都做得出来。混凝土的威力清晰可见，造访过建筑工地的人都会爱上它。我一周又一周，都会从碎片大厦工地的观察窗往里看，看得心荡神驰。我看见大楼从地基缓缓兴起，由蚂蚁般的工人一点一滴浇注而成。岩石和石块粉末送到工地，只是加水就成了石块。这不只是工程技术，更是一种哲学、一种圆满。这个圆从地幔经由造山运动生成岩石和石块开始，再由人类接手，把石头和岩石挖掘出来，按照人类的设计转变成人造的地景，变成高楼大厦，让我们在其中居住和工作，成就这一个循环。
1700545477
1700545478
混凝土的问世，让建筑师的想象力得以尽情驰骋。古罗马人发明混凝土后，立刻明白可以用它来奠立帝国的根基。他们可以在任何地方兴建港口，因为混凝土在水下也能凝固。他们还可以兴建沟渠和桥梁，而这些基础建设又能把混凝土运送到任何有需要的地方，不必仰赖当地的石头和黏土。因此，混凝土很适合打造帝国。不过，古罗马最宏伟的混凝土工程就在首都，也就是罗马万神殿的穹顶（下图）。它完工两千年来始终屹立不倒，至今仍是世界上最大的无钢筋混凝土圆顶建筑。
1700545479
1700545480
1700545481
1700545482
1700545483
万神殿没有因为罗马帝国衰亡而颓圮，但混凝土却销声匿迹了。古罗马停止制造混凝土后，这个世界有一千多年不曾出现混凝土建筑。这项材料技术亡佚的原因至今成谜，可能因为制造混凝土是专门技术，需要技术发达的帝国才能支持，或者因为它没有结合某种技能或工艺，例如打铁、石刻或木工，以至于没有代代流传，也可能是因为罗马混凝土虽然好用，却有个致命的缺陷，而古罗马人虽然晓得，却无法解决。
1700545484
1700545485
有两种方法让材料断裂。首先是“塑性断裂”，例如把口香糖拉断就是这样。材料受拉扯后会产生晶格重排而导致延展，使得中间越来越细，最后一分为二。绝大多数金属都可以用这种方法弄断，但因为必须移动许多位错，所以要非常费力才能做到，这也是金属的强度和韧度都高的原因。另一个断裂法是“脆性断裂”，玻璃和茶杯破裂就是如此。这些材料无法借由流动抵消拉扯的力道，只要有一处脆弱就会破坏整体，使得材料断开或碎裂。混凝土碎裂即属此类，这让古罗马人伤透了脑筋。
1700545486
1700545487
古罗马人始终未能解决这个问题，只好限制混凝土的用途，只用在受压缩而非受拉扯的结构体，例如柱子、圆顶或地基上，在这些地方的混凝土全都被结构的重量挤压着。在受到挤压的情形下，混凝土就算有裂隙也依然强固。造访有两千年历史的万神殿，你会发现穹顶多年来已经出现不少裂痕，可能是地震或下沉所导致，但这些裂隙不会危害结构，因为整个穹顶都受到挤压。然而，古罗马人尝试用水泥兴建横梁或悬垂楼面时，由于这些结构必须承受弯曲应力，他们势必发现就算出现再小的裂痕也会造成崩塌。当裂痕两侧的建材受自身和建筑的重量拉开，就绝对无力回天。因此，想让混凝土发挥最大功效，像我们现在用它来兴建墙壁、楼面、桥梁、隧道和水坝这样，就势必要解决这个问题。然而，解决方法直到欧洲工业革命兴起时才出现，而且来自非常出人意料的地方。
1700545488
1700545489
1700545490
1700545491
1700545492
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544653]
1700545493
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 园艺家发明钢筋混凝土
1700545494
1700545495
巴黎园艺家莫尼耶（Joseph Monier）喜欢自己制作花盆。1867年时，花盆都是陶瓦做的，非常脆弱易碎，而且造价昂贵，尤其不适合栽种在温室成长迅速的热带植物。混凝土似乎是更好的选择。它比陶土更容易制作大型花盆，又因为不需要放入窑中烧制，所以也便宜得多。但混凝土的韧度还是不够，因此莫尼耶制作的混凝土花盆还是跟陶瓦花盆一样容易龟裂。
1700545496
1700545497
莫尼耶想到一个方法，就是在混凝土里放入钢圈。他不可能知道水泥和钢材的键结极强，因为钢很可能就像放进醋里的油，完全不跟混凝土混合。结果不然，混凝土里的硅酸钙原纤维不仅会吸附石头，也会吸附金属。
1700545498
1700545499
混凝土基本上是拟石材，以石头制成，外观、成分和性质也近似石头。但钢筋混凝土就不同了。它跟所有天然材料都不一样。混凝土得到钢筋的加强后，就算受到弯曲应力，也会由混凝土内的钢筋吸收，不会产生大裂缝。钢筋和混凝土合二为一，把原本用途有限的混凝土变成世界上用途最广的建材。
1700545500
1700545501
还有一件事莫尼耶当时也不晓得，不过却是强化混凝土的制胜关键。材料不是静态的，会因环境而变化，尤其受温度影响更大。大多数材料都会热胀冷缩，建筑、道路到桥梁，无不因日夜温差而胀缩，仿佛它们会呼吸一样。道路和桥梁的裂隙多半源自于此，如果设计时不将此纳入考量，累积的压力可能会让结构崩塌。任何工程师在推测莫尼耶的尝试结果时，都会认为水泥和钢差异太大，胀缩幅度非常不同，应该会导致结构解体，而且这样的花盆摆在冬冷夏热的花园里应该会碎裂。或许正是因为如此，才会没有工程师愿意尝试，反倒让园艺家来做了。
1700545502
1700545503
不过说来巧合，钢和混凝土的膨胀系数几乎完全相同，也就是两者的胀缩率几乎相等。这是个小小的奇迹，而莫尼耶不是唯一的发现者。一位名叫威尔金森（William Wilkinson）的英国人，也凑巧发现了这个神奇组合。钢筋混凝土的时代从此到来。
1700545504
1700545505
只要造访全球许多发展中国家，就会发现数以百万计的穷人住在用泥巴、木材或金属波浪板搭成的棚屋里。这些房子禁不起风吹雨打，而且日晒时非常炎热，下雨又会漏水或坍塌，时常遭暴风吹垮、洪水冲走，或被警察或当权者的推土机铲平。想建造一个能抵挡强风暴雨和权势者的家，建材不只要坚固，还得防火、防风和防水，更要便宜到人人都盖得起。