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千回百转混凝土,想想也是醉了

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-01-19  来源:中国混凝土网  作者:中国建材工业出版社
核心提示:混凝土可以追溯到古老的年代,自19世纪20年代出现了波特兰水泥后,用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性。如今钢筋混

混凝土可以追溯到古老的年代,自19世纪20年代出现了波特兰水泥后,用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性。如今钢筋混凝土开始成为改变这个世界景观的重要材料,那么关于混凝土的历史您了解多少呢?


1.古罗马的混凝土


建筑史上往往把最早使用混凝土的时间定为公元前2世纪,地点在意大利南部。这是一种被称为Pozzuolana的火山灰,这种火山灰第一次是在那不勒斯湾的Pozzuoli找到,后被广泛用作罗马人的水泥。


(上图为那不勒斯湾的Pozzuoli港)


(上图为Pozzuoli的一座神庙遗址,可见混凝土墙体遗存)


公元前193年,古罗马修建了一座叫Porticos Aemelia的大市场,Pozzuolana用于将石材固定在一起。这种石灰与水之间的化学反应可以固化成为一种岩石状物质。罗马人用这种东西修筑桥梁、码头、下水道排水管、输水道和建筑物。


但罗马水泥与今日的波特兰水泥并不相同,最重要的是古罗马水泥不具有流动性,所以不能流入一个模子或某种成形结构中。实际上,在所谓的第一批水泥和具有粘合作用的碎石之间,并没有清晰的分界。罗马的水泥是分层的,灰泥是用手工压紧的,并围在不同尺寸的石材周围,除非级别很低的构筑物,双面均有黏土砖包墙。因此,虽然说火山灰材料的确可作结构材料,但这种材料的适用范围有限,而且适用范围也只在罗马和那不勒斯地区,在意大利北部和罗马帝国的其他地区均未发现使用。


罗马的大多数公共建筑(如万神庙、高级住宅等)都是使用砖饰外表面和混凝土结构。建于2世纪的万神庙,其结构之精巧和穹顶跨度之大,使此前及此后约1千年的建筑都黯然失色,自然是世界建筑史中的经典作品。


(上图为万神庙鸟瞰)


(上图为万神庙内景)


2.古老混凝土技艺的丢失和探索


随着罗马帝国的解体,古老混凝土的技艺便失传了,当然古罗马混凝土的原料不易获得,也是重要原因。不过,在现代混凝土出现以前,西方工程师和发明家曾经历过相当长的探索阶段。大约又过了200年,才有了我们今天所熟悉的混凝土建筑的大批涌现,城市形态真正进入“现代”景象。


(上图为英国Lichfield大教堂南门上部的7个雕塑为Parker水泥塑造)


1678年,英国皇家学会会员Joseph Moxon描述了一个现象:当石灰与水混在一起,会产生一种隐藏的“火”。1756年,英国工程师在研究某些石灰在水中硬化的特性时发现:要获得水硬性石灰,必须采用含有黏土的石灰石来烧制;用于水下建筑的砌筑砂浆,最理想的成份是由水硬性石灰和火山灰配成。这个重要的发现为近代水泥的研制和发展奠定了理论基础。1779年,一个叫Bry Higgins的发明家登记了一项专利,将他制作的水泥用于室外抹灰。1796年,英格兰人James Parker用泥灰岩烧制出了一种水泥,外观呈棕色,很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物,命名为罗马水泥或Parker水泥。因为它是由天然泥灰岩作原料,不经配料直接烧制而成的,故又名天然水泥;同时其具良好的水硬性和快凝特性,特别适用于与水接触的工程。


1813年,法国工程师Louis Vicat发现石灰和黏土按3:1比例混合制成的水泥性能最好。1818年,Maurice St. Leger 注册了水泥生产的专利;同年,美国建筑师Canvass White在纽约的麦迪逊找到了一种沉淀岩石,这种岩石不需要经过复杂的处理便可制成水泥。


1820~1821年,John Tickell和Abraham Chambers注册了更多的水泥专利。到了1822年,英格兰的James Frost准备像法国人Vicat那样制造人工的水力石灰,并称之为“不列颠水泥灰”。


1824年,一位叫Joseph Aspdin的英国石匠注册了一种叫“波特兰水泥”的技术专利,因为这种水泥硬化后很像英国波特兰岛上的一个采石场开采的天然石材。他用石灰石和黏土为原料,按一定比例配合后,在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料,再经磨细制成水泥。这种水泥具有优良的建筑性能,在水泥史上具有划时代的意义。1825年,美国的伊利运河是第一个对水泥有大量要求的工程。


1828年,Isambard KingdomBrunel据记载是第一个使用波特兰水泥的工程师,他用这种水泥堵上了泰晤士地道的决口。1850年代,Joseph-Louis Lambot成为第一个在造船中使用加固混凝土材料的人。Lambot先生是法国南部一位有身份的农场主,他用铁棒和金属丝网来加固他的小船,他也想把此方式用于建筑中。1856年,他在法国和比利时注册了这项专利。


1854年,在英国纽卡斯尔,建筑师William Wilkinson建起了一座2层的仆人房舍。他用铁棒和金属绳索来强化混凝土地面和屋顶,然后,他还在英格兰注册了一个专利,随后他又修建了几个这种结构的建筑,这被认为是第一批钢筋混凝土建筑。1859~1867年,波特兰水泥被用于伦敦下水道系统工程中。1867年,法国花匠Joseph Monier申请了一项加强花盆强度的专利,后又添加了梁柱的加固专利。


1868年,有据可考的第一艘船运波特兰水泥到达美国。1850~1880年,第一个在建筑中广泛使用波特兰水泥的人是法国建筑师和营造商Francois Coignet。他在英格兰和法国建设了好几幢混凝土建筑,还第一次在地板中加入了铁杆,但后来改用弯曲的构件。


1871年,David O. Saylor在美国建成了第一家波特兰水泥生产厂;日本也开始建造水泥厂。1871~1875年,第一个建造成功具有里程碑意义的钢筋混凝土建筑的人,是美国机械工程师William E. Ward。这幢建筑至今矗立在纽约州的切斯特港。这件事能被广泛了解得益于Ward先生的勤奋,他亲自指挥所有工作、研究和记录所有文件。他之所以想造一幢混凝土的房子,是因为他的妻子很怕火灾。于是他在1870年聘请建筑师Robert Mook来做设计,就像Coignet的建筑一样,这幢建筑也被建造成类似砖石结构的外表,以获得更多的社会认可。Ward先生自己处理所有的技术和结构事务,负责长期荷载检测和其他实验。1883年,他为美国机械工程师协会做了一场义务演说,题目叫《作为建筑材料并与金属混合的混凝土》。


1877年,英国的Crampton发明了回转炉;1885年,FrederickRansome将其进一步改进,并注册了专利。19世纪晚期,三种钢筋混凝土结构在欧美并行,德国和奥地利的是G.A.Wagss体系,美国的是Ernest L.Ransome体系,法国的是Francois Hennebique体系。1879年,德国营造商A.Wayss,购买了Monier体系的专利权,并进一步发展了这一技术,率先在德国和奥地利建造了钢筋混凝土的房屋,并将此系统提升为Wayss-Monier体系。


1870年代,Ernest L. Ransome在旧金山成立公司,主要制作混凝土块,当作人造石来使用。他第一次使用加固方法是在1877年。到1884年,他注册了一项专利,在混凝土中加入螺旋的、方形截面的杆件,这种作法可以增强水泥和加固物之间的连接性能。当时他最大的作品是斯坦福大学博物馆,这是第一个暴露混凝土的建筑,他还在新泽西和宾西法西亚建了许多工业建筑。例如1903~1904年,在宾州格林斯堡建成的Kelly和Jones机械工厂。


也是在1870年代,法国人Francois Hennebique注册了Hennebique系统专利,他的贡献使钢筋混凝土水泥炉得以推广并被广泛接受。在生产高峰期,Hennebique每年能获得1500个合同。他的成就与钢筋混凝土在欧洲的发展密不可分。1887年,法国人Henri Le Chatelier为确定生产波特兰水泥的石灰量,制成了第一份氧化比率。1889年,中国河北唐山开平煤矿附近设立了用立窑生产的唐山“细绵土”厂;1906年在该厂的基础上建立了启新洋灰公司,年产水泥4万吨。


1891年,George Bartholomew在美国俄亥俄州的贝尔方丹建成了世界上第一条混凝土街道,这条街道至今存在。


1893年,日本人远藤秀行和内海三贞二人发明了不怕海水的硅酸盐水泥。尽管19世纪混凝土在欧洲被用来建造了许多建筑,但这种“新材料”都始终未获得石头和砖一样的广泛的社会认可,其文化身份一直不高,因此许多混凝土结构外部仍会以砖或石材包裹。


如果说是Hennebique使得钢筋混凝土成为构造材料,那么真正使得钢筋混凝土被接受而成为建筑材料的却是奥古斯特·佩雷(AugustePerret),佩雷的设计作品不仅包括了工厂、公寓大楼,还有博物馆、教堂和剧院。他在巴黎一带较知名的作品是弗兰克林大街上的一幢公寓大楼,完成于1903年;几年后,他又修建了体积庞大、厚重感强、空间巨大的香榭丽舍剧院;1922年建成的兰西圣母教堂成为建筑设计的经典,这是此前用混凝土建成的建筑所未达到过的高度,高耸的拱顶,纤细的柱子,强烈地表明了这种刚刚被接受的建筑材料的威力。


柯布西耶(Le Corbusier)年轻时曾在佩雷工作室中做过兼职,在混凝土的使用上,佩雷绝对是他的老师。柯布西耶的作品几乎都以钢筋混凝土为材料:1931年建成的萨伏伊住宅是代表作之一,这是一种平板结构,整幢房子建在一个桩基之上。1957年建成朗香教堂,1959年的拉·图雷特修道院,1961年印度昌迪加尔议会大楼等,都是以钢筋混凝土为材料,而混凝土多变的表面为他的这些构想提供了可靠的材料支撑。


赖特(Frank Lloud Wright)很早就宣称,钢筋混凝土是他的设计赖以成形的材料基础,但在很长时期内,他并未在此领域中进行探索,直到他职业生涯的中后期,这种情况才有所改变,1930年他建成了流水别墅,这是世界上第一个暴露悬臂的建筑。而钢筋混凝土的材料属性使这个设计成为可能,赖特是第一个以薄板作为建筑元素来使用的建筑师,薄薄的板面向外延伸,似乎已超出了其可能性的极限。1919年,密斯·凡·德·罗为超高层建筑提出了一种结构。有一个结构核心(Structrual Core),每层以薄板分隔,但他并没能实现这个构想,直到1936年,赖特丰富了他的想法,并将成果用在了威斯康星州拉辛市约翰逊制蜡公司行政楼上。这幢建筑被认为是赖特最好的设计之一。后来,赖特追求的“有机建筑”及他对像钢筋混凝土这样天然具有可塑性材料暴露表现的愿望,又达到了一个新高度,这就是1956年落成的古根海姆博物馆,那种带有纪念性的螺旋形式,至今仍是纽约的标志之一,每天夜间更是光感出色。


不过今天看来,使用混凝土的最伟大艺术家还是非高迪(Antonio Gaudi i Cornet)莫属。混凝土在他的手中不再是建筑材料,而是艺术创作材料,其作品至今激励着年轻艺术家们不断探索。例如,1887年建成的文森之家;1889年的奎尔宫;1904年的卡佛之家;1906年的巴特罗公寓;1910年的米拉公寓;1914年的奎尔公园;1926年的圣家族大教堂……他的作品有7件被收入世界文化遗产名录。


今天被人们所津津乐道的混凝土材料的建筑天才是日本建筑师安藤忠雄,他将混凝土的艺术性及其引发的文化思考推进到了更高层面。安藤的成就给了我们很大启示:一位东方建筑师,选择了混凝土这种极具西方历史、文化和技术特点的建筑材料,与日本的传统工艺思想和工艺美学完美结合,这既是混凝土材料的魔力,也是文化融合的魅力。


最后还须说明,今天人们对混凝土的理解往往来自于“钢筋混凝土”建筑。随着楼层高度的不断攀升,建筑含钢量也逐渐增大,今天的许多摩天大楼已经为钢结构,而不再以混凝土做结构支撑。这将是另一个有趣的故事了……

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