首先是结论:古罗马混凝土没失传啊?没失传,没失传。
其次,神奇的古罗马混凝土是个啥?
简单的说就是先用石灰+火山灰+海水混合制成原始灰浆,之后原始灰浆+凝灰岩混合后灌入木质模具等待干燥成型。大量应用于古罗马中世纪和文艺复兴建筑。上图万神庙的屋顶用的就是这种混凝土(到今天为止依然是世界上最大的无支撑混凝土拱顶,也是因为它跨度太大,所以才没法封顶)。
这种混凝土外观和今天用的混凝土差的不算太多(表面更粗糙一些),但巨硬、非常结实、非常耐艹。不但不易开裂,而且可以屹立不倒几千年,现代混凝土(学名波特兰水泥)使用期限100年算很高寿了。最重要的是古罗马混凝土在制造过程中产生的二氧化碳排放量也只有现代混凝土的1/3左右,自带环保光环。
既然这么好,为什么当代施工不用古罗马混凝土?
首先是题主提到的火山灰,但不是因为缺乏天然火山灰资源,而是古罗马混凝土自身的工艺问题:
古罗马西北是萨巴提尼,东南是奥巴诺丘陵。这俩货虽然现在都是死火山,但以前没少喷。活跃期是60万年前,转入休眠应该是四十万年前,都是由地壳运动产生,这代表着这两个火山早期的喷发并没有在地面上没留下太多岩浆。地壳变化导致岩浆层上升,导致地表土壤等被加热。爆发性火山运动会使地表固体的岩石和熔浆一起被分解成细微的粒子(也就是火山灰)并被喷出去,并同时形成火山和火山口。常年累积,基本上就给这张卫星图全范围都盖了两米多厚的火山灰(据说目前储量还是很足的)。
火山成型后,再喷/流出来的就是岩浆,冷却后就是分布在表层的玄武岩(和玄武一样硬。不借助现代化机器的话,十个壮汉一小时左右采一块),火山灰在底层。另一方面,古罗马离大海本身没多远,这代表着古罗马附近有通往海域的浅水水域,比如河流、溶洞、地下水脉等,在这些浅水水域会沉积形成石灰岩。在这20万年间,火山喷发、地壳变形等也导致一部分石灰石、方解石之类以碳酸钙为主要成分的矿物处于高温高压的状态,之后就会变成大理石。
长年的沉积和自然因素下,古罗马地区矿物产物主要就是这些东西:玄武岩、大理石、石灰石和白榴火山灰(porcellana)。而导致现在少有人直接用古罗马混凝土的原因之一就是这个白榴火山灰,主要成分是氧化硅和氧化铝,铝元素含量高。
现代混凝土(波特兰水泥)主体是石灰和粘土质原料经过高温煅烧后的产物组成的,主要成分是由石膏,硅酸三钙,硅酸二钙等组成。(感谢
@遇见
)他们遇水水化形成的东西学名硅酸钙,硅酸盐的一种。而白榴火山灰和石灰混合遇水形成的是硅铝酸钙,是一种可以加强界面区和胶结基质的持久的钙-铝-硅酸盐。(ーー;)什么玩意……
嘛,用人话说就是:本质上它还是硅酸盐,但铝这种金属元素的加入,提升了其硬度和弹性,所以不仅比现代混凝土耐艹持久,弹性和硬度也是大约1.3倍(应该是,不记得了)。
但是,也是因为铝元素的存在,古罗马混凝土的凝固周期是180天!!!!现代混凝土一般是28天左右。(?????????)
今天大量使用混凝土的主要原因就是因为快,同时西方世界人工成本也非常高,所以无论中国还是西方,除非是有特殊需求,否则没谁愿意为追求一两倍的性能而追加6倍的成本和工期
这是常规情况。碰上财大气粗或者特殊情况另说,该用还得用。比如:扎哈的罗马当代艺术博物馆(简称MAXXI)
MAXXI的特点是连续的曲面混凝土墙,有三百多米。为了追求视觉体验,同时也是因为建筑结构需求,这些混凝土墙特别厚。衍生的问题就是墙体开裂。
现代混凝土(也就是波特兰水泥)是水泥+骨料(砂石之类的东西)加水搅拌之后灌模之后干固后成型的。灌模后,水泥首先会因为水化生成水化产物(C-S-H)凝胶,像胶水一样在混凝土中起到粘结其他骨料的作用。之后会开始凝固并硬化,逐渐达到设计强度。表层混凝土水化凝固后,内部的水化反应还未完全结束。混凝土本身会散热,但散热性能还不足以让内部水泥水化的热得到很好的释放,墙体内部的温度就会高于外部温度。内部会热涨,而表面冷却,导致容易开裂。
同时在整个过程中,因为水化前后化合物的密度也不一样(水分减少),所以凝固后的混凝土体积会比灌模时小7-9%。加上内外凝固的速度不同,也容易导致混凝土开裂。最终如果墙体不太厚,拆模之后就有可能出现一些细微的几厘米十几厘米的小裂缝。而一旦墙体变得很厚,比如 MAXXI 这种,就有较高的掉率呈现给你下图这种几米的大裂缝,非常的磕碜。
通常面对这种裂缝都是采用外挂一些其他的材料,把裂缝盖住,眼不见心不烦,毕竟裂缝其实不怎么影响混凝土的性能,处理一下防水就行了。但人家是扎哈,大V任性,不仅要裸露混凝土原始表面,所有混凝土还必须严丝合缝,丝一样的润滑,不能有一个裂缝!
为了解决开裂问题,MAXXI 使用的就是古罗马混凝土。原因有三,一是场地文脉文化传承,毕竟这房子在罗马,所以用古罗马技术。另一方面是前面说过的铝元素的作用,古罗马混凝土本身弹性好,不容易开裂。最主要的原因是古罗马混凝土里石灰的用量只有现代混凝土的1/3左右,所以凝结过程中产出的热量也比现代混凝土低。产出的热量越少,温度分布不均带来的危害就越低,对防止开裂有直接的增益。即便如此,最后还是废了很大的力气才做出 MAXXI 那个没有开裂的干净平滑混凝土墙面。
原因2:今天建筑上使用的混凝土很多时候是钢筋混凝土
古罗马混凝土比现代常用的波特兰水泥性能好很多这是事实。但钢筋混凝土的性能是古罗马混凝土的7倍+也是事实,同时钢筋混凝土也更适合用于塑造大跨度、空间通透、大开窗等的空间。而当代建筑对这方面度需求刚好又大于对强度的需求……
原因3:古罗马混凝土的核心优势不明显
古罗马混凝土最有价值的优势是千年不倒和低碳。但今天的城市普遍不需要能站千年的文物,为了城市发展,绝大多数的建筑80年左右都会被拆除。所以除非是具有特殊含意义的纪念碑之类,一般没人选古罗马混凝土。
第二个优势低碳。古罗马混凝土用的石灰少,所以产出的二氧化碳也少,所以低碳,这是非常有价值的。但以今天的科学技术来说,有一种东西叫再生骨料混凝土,简单的说就是把废弃的混凝土碎渣拿来做骨料,重新浇筑混凝土。它的造价比古罗马混凝土便宜,低碳程度差不太多,工期和波特兰水泥一致,所以...... 同时还有一种技术叫生态水泥,和再生骨料混凝土差不多,也是用城市废料造混凝土的技术。但灰浆里添加了粉煤灰(煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰),带来的好处是这种混凝土“吃”(吸收)空气里的二氧化碳,节能环保程度更好。
結論:
古罗马混凝土没有失传,知道配方的人也不少,但在绝大多数情况下,建筑师和施工方都总有好几个更好的选择,所以除了在实验室里开发新型混凝土技术,古罗马混凝土一般没人参考和使用。
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