探索古代混凝土：从以色列到中国的早期建筑材料历史

混凝土和石头一样古老

作为建筑材料，混凝土的使用历史与石头和土壤一样悠久。

1985年，在以色列北部的下加利利地区，一台推土机在清理道路建设障碍物时发现了Yiftahel考古遗址，考古学家随后在1992年至2008年间在这里进行了各种发掘和研究。他们发现地板是石灰混凝土制成的。这种石灰混凝土首先燃烧石灰石制成生石灰，然后将生石灰和石料与水混合形成石灰混凝土。这应该是人类使用混凝土的最早记录，其历史可以追溯到公元前7000年左右。

考古学家还在中国西北部的甘肃省发现了早期的混凝土。它是由破碎的陶器碎片和断骨混合凝固而成的地面，其历史可以追溯到公元前3000年左右。

早期的混凝土制造技术可以在埃及底比斯壁画中看到（图 1），其中展示了砂浆和混凝土制造和使用的各个阶段，其历史可以追溯到公元前 1950 年左右。在图像的上半部分，建筑商将水收集在陶罐中，并将水与石灰混合制成砂浆。在图片的下部，抹灰工正在用混凝土块和砖块建造一堵墙。

图1

虽然混凝土的历史和石材一样古老，但根据历史记载，混凝土在很长一段时间内只是一种辅助材料，徘徊在主流建筑材料的边缘。例如，著名的罗马渡槽桥虽然使用了混凝土，但它只是作为防渗材料，应用于渡槽内部，与承重结构无关。

除了渡槽之外，最杰出的混凝土建造的古建筑就是罗马的万神殿。这座拥有近 2000 年历史的建筑至今仍保持着无钢筋混凝土穹顶跨度（43.3m）的世界纪录。罗马万神殿建于公元128年，是人类建筑史上的巅峰之作。这座圆顶浇筑混凝土的原材料来自意大利南部的那不勒斯。那里的火山活动留下了丰富的天然火山灰水泥、火山玄武岩和凝灰岩。古罗马的工程师在将圆顶从下到上绕圈浇筑时，他们使用坚固的火山玄武岩砾石骨料作为下层，并使用最轻的凝灰岩作为顶部。凝灰岩是火山喷发后形成的内部多孔碎屑岩，可视为天然轻质混凝土骨料。这些取自大自然的天然混凝土原材料，成为万神殿大圆顶成功的关键。

然而，正是因为火山灰混凝土的获取受到地理的限制，两千多年前的通讯交通条件限制了这项在罗马取得巨大成功的混凝土技术向外界的广泛传播。因此，虽然幅员辽阔的罗马帝国在辉煌时期建造的许多建筑都使用了混凝土，但随着罗马领土的扩张，火山灰混凝土技术并没有传播到帝国铁蹄所到之处。

公元476年罗马帝国灭亡后，火山灰水泥就消失了。在此后的1300年里，虽然城堡、城墙、教堂建筑等都是用混凝土建造的，但用石灰砂浆配制的混凝土并不比砌体结构有任何优势。大多数混凝土材料用于建筑物的地面或地基填充。 ，很少用作主要承重结构。翻阅历史文献，并没有提及18世纪之前以混凝土为主要材料的桥梁。

如今，通过对罗马万神殿结构的有限元分析和材料研究，人们知道火山灰水泥的使用是万神殿穹顶近两千年来屹立不倒的关键。而当年的建筑大师们又经历了怎样的探寻才发现了这个秘密？也许是踏过铁鞋后的蓦然回首，也许是不费吹灰之力。现在我们只能猜测，很难验证。

钢铁和水泥——混凝土的灵魂

“具体”应该是现代汉语中才存在的一个词。顾名思义，“混凝土”就是混合并凝固的“土壤”。在水泥发明之前，天然砂石与石灰砂浆混合而成的固化块，强度很低，确实是“土”。它们只能用作地板、填料或大型砌体的基础。如今，混凝土在建筑材料领域占据主导地位，并已成为土木工程所有应用领域的超级明星。与200年前相比，天上地下都有混凝土。

今天的混凝土里，沙子还是那个沙子，石头还是那个石头，水还是那个千年不曾改变的水。不同之处在于，沙子和砾石是使用新型人工胶凝剂——波特兰（硅酸）凝结成型的。盐）水泥。这种发明于18世纪的产品将“土”变成了“石头”，为混凝土注入了灵魂。凭借石材的强度，混凝土终于可以进入主流，成为工业化进程中不可或缺的建筑材料。

在英吉利海峡以北的普利茅斯海岸，有一座英国一级保护文物——斯米顿塔。这里原是1756年建在海上岩石上的航海灯塔，是现代水泥发明的源头。这里以前有两座木塔，一座被风毁了，一座被火毁了。灯塔建造专家约翰·斯米顿决定用石头重建这座塔。他需要一种坚固如石头、能经受海浪浸泡的凝固剂。当时现代化学尚未诞生，但中世纪炼金术传承下来的思维方式和实验方法有很多可以借鉴。斯米顿从不列颠群岛和欧洲大陆收集了各种流行的砂浆配方，并尝试了配方中不同比例的材料。经过反复试验，最终，当他将南威尔士的石灰石与意大利奇维塔韦基亚的火山灰混合烧制时，他能够复制罗马帝国的高品质水泥。

斯米顿的研究为现代水泥奠定了基础。此后，各种材料配比和生产工艺得到优化和改进。到19世纪中叶，在快速工业化的国家，混凝土开始被用作建造房屋和桥梁的承重结构。

水泥使混凝土变成石头，可以承受高压；将钢筋嵌入混凝土中，将骨头植入混凝土中，使这种人造石具有天然石材所缺乏的抗拉强度。据说，古罗马时代的工程师在建造万神殿圆顶时，也产生了使用钢筋混凝土的想法。他们将青铜条埋在混凝土中，试图增加混凝土的强度，以获得更薄、更轻的穹顶。不幸的是，青铜不是适合与混凝土一起使用的金属材料。两者的温度膨胀系数相差太大。温度变化会导致混凝土开裂甚至剥落。这就把发明钢筋混凝土的机会留到了19世纪。

18世纪末至20世纪初，桥梁建设经历了运河时代和铁路时代两个建设高峰。在过去的 100 年里，混凝土并没有像钢材那样受到欢迎。这一时期的工程师还没有真正理解和利用混凝土的特性。他们建造的混凝土桥梁无论是桥梁造型还是施工工艺都沿袭了砖石拱桥的经验，只不过用混凝土代替了砖石材料。可以认为，这是桥梁建造材料由天然石材向人造石材转变的过渡时期。

预应力混凝土技术的突破

在预应力混凝土大师眼里，预应力只是非常简单的常识。尤金·弗雷西内 (Eugene Freyssinet) 认为，在射击前拉弓是预应力的一个例子。林同彦用木桶的制造过程对预应力进行了直观的解释：用箍紧木件，相当于在木件之间的接触面上施加预应力，以抵消木件装满水时的压力。环向拉应力。

预应力混凝土技术不是新理论衍生的发明创造，不是新材料开拓的产品领域，也不是攻克技术难关带动的行业进步，而是集一系列发现、发明、改进、创新等为一体的新学科。 ，这一新兴学科为建筑史开辟了一个新纪元。从1886年第一个预应力混凝土专利在美国注册到20世纪下半叶该技术的广泛应用，已经过去了近100年。

在工程历史文献中，虽然提到了预应力的发明人和专利注册人，但并没有将他们算作预应力混凝土技术最重要的贡献者。回顾历史，预应力混凝土技术成功应用于结构工程，创始人是法国工程师尤金·弗雷西内。在他之前，早期实践者在梁受拉区施加预应力，成功消除了使用初期的裂缝。然而，他们无法解释在不增加载荷的情况下使用该构件几个月后受拉区出现裂纹的原因。还是开裂了，几乎和没有预应力的梁一样。

Frecinet首先发现了混凝土材料的徐变并提出了有效的解决方案。他首先认识到必须采用高强度、低松弛钢筋作为预应力筋来抵消混凝土结构的徐变，才能达到预应力的效果；同时，他也认识到，提高混凝土质量也是减少预应力损失的有效途径。手段，因此他主张用机器振动代替人工振动混凝土。从此，高质量混凝土和高强、低松弛预应力筋成为预应力混凝土技术中两个最基本的要素。随后各种高强钢丝、高性能混凝土、预应力张拉技术、锚杆、预制混凝土构件、预应力混凝土桥梁分段悬臂施工方法等各个领域的研发，都是围绕着这两个基本要素展开的。扩大了。

菲欣纳公司于1930年注册了“钢丝预应力混凝土”专利。虽然利用钢丝埋入混凝土进行预应力的技术并不能算是菲欣纳公司的一项新发明。在此之前，已有很多类似的专利。不过，与前辈相比，Fresine的专利有两个重要特点：

1) 解释如何确定预应力钢筋的位置以获得最佳的构件设计；

2) 解释如何量化蠕变和收缩中的预应力损失并提供解决方案。

1939年，弗雷辛完成并注册了他最著名、最权威的专利：“后张混凝土构件的完整系统”，其中包括后张混凝土构件的所有构件：锚固装置、管道、千斤顶和预应力筋（图2）。

图2

菲欣纳并不是预应力技术的发明者，也不是第一个将其付诸实践的人。他发现了应用这项技术的秘密，使预应力混凝土可以用于几乎所有的结构构件。如果不了解混凝土徐变，预应力技术就无法有效使用；如果克服蠕变的方法成本太高，则预应力技术就无法有效使用。

随之而来的是预应力混凝土技术的蓬勃发展时期。产生了与锚固工艺、锚固件、材料等相关的各种专利。其中一些确实改进了 Fresine 的工艺，而另一些则是为了规避专利限制而进行的调整。二战结束后，恢复经济、重建家园、修复被战争破坏的基础设施，都为预应力混凝土技术提供了巨大的应用空间。

预应力混凝土桥梁的兴起

1908年，福特T型车大规模装配线开启了美国公路时代。

汽车生产模式的改进降低了成本并增加了产量，使得美国的汽车数量在短短几年内呈指数级增长。早期的T型车车主都是热爱越野旅行的冒险家，也是“优质公路运动”的倡导者。被铁路取代的货运公路在汽车旅行者的推动下重新获得了重要地位。各州相继成立了公路建设管理部门。第一次世界大战凸显了道路运输的价值。从政府机关到民营企业，大家都投入了极大的热情参与公路建设。

公路时代初期的大跨度桥梁都是钢结构。大多数公路桥梁工程师曾经是铁路桥梁工程师，因此许多早期的公路桥梁也沿袭了铁路桁架桥的样式。为了尽可能降低成本，桁架桥，尤其是带连杆的桁架桥最为常见。

如果没有预应力技术的成功应用，混凝土将不得不与天然砌体并肩而立，平分拱桥的世界；如果没有公路时代的大规模桥梁建设，预应力混凝土技术就很难获得大规模研发和实施的条件。 。

下面的统计图（图3）形象地说明了美国公路建设，特别是公路建设与预应力混凝土桥梁之间的关系。

图3

这是作者根据美国联邦公路管理局的桥梁统计数据库（NBI）整理的统计图表。 NBI是国家桥梁清单的缩写。它包含20世纪美国所有公路桥梁的数据，包括州际公路、各州高速公路、各州、县市道路以及位于联邦土地上的国家公园和其他公路桥梁。基础数据包括桥梁数量、桥梁类型、材料和一般状况描述，以及年度维护状况汇总分析。

根据NBI收集的数据，20世纪之前建造的桥梁，钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁，其桥面面积与砖石和木结构桥梁大致相同； 20 世纪 20 年代，高速公路上用钢筋混凝土建造的桥梁多于用钢材建造的桥梁。在随后的20世纪30年代到1970年代的50年里，钢材的使用量超过了混凝土。这应该是大跨度桥梁建设比例增加的原因。 20世纪60年代以来，预应力混凝土桥梁和普通钢筋混凝土桥梁的总桥面面积与钢桥面积基本相似。 20世纪80年代，预应力混凝土桥梁在桥梁建设中占有绝对优势。

图4摘自《州际公路系统和预应力混凝土桥梁的发展》一文，反映了20世纪下半叶50年间桥梁建设中混凝土和钢材使用的变化趋势。

图4

《州际公路与预应力混凝土桥梁的发展》这篇文章很好地总结了美国预应力混凝土技术与公路相互支持和促进的关系：从二战结束到美国总统签署的《高速公路》美国1956年法案规定，美国建造的桥梁中只有2%采用预应力混凝土作为其上部结构。仅 2001 年，美国建造的桥梁就有 49% 采用预应力混凝土上部结构。自1956年《公路法》通过以来，50年来，州际公路系统（州公路）上已修建了47,000座桥梁，其中29%是预应力混凝土桥梁。

第一座预应力混凝土梁桥

胡桃巷纪念大桥于1951年在费城建成通车，是美国预应力混凝土梁桥的起点。其设计几乎成为中小跨简支公路桥梁的典范。时至今日，由多片预应力简支梁组成的类似上部结构仍然是美国高速公路上最常见的桥梁结构。核桃路纪念桥为三跨简支梁桥，跨长为22.5m+48.8m+22.5m（74英尺+160英尺+74英尺）。图5是典型的中跨横截面。

图5

核桃路纪念桥的设计者是比利时根特大学教授兼工程师古斯塔·马格内尔。 Magnell 自 1922 年以来一直在根特大学任教，教授钢筋混凝土结构的设计。 1926年，他建立了混凝土研究实验室（后更名为马格内尔实验室）。在结构领域，不乏理论造诣深厚、工程经验丰富的大师。据统计，截至1950年，在欧美流传的阐述预应力混凝土结构设计理论与实践的书籍不超过10本，其中包括马格内尔的《预应力混凝土》一书。

1946年，马格内尔受邀访问美国。在三个月的访问期间，除了多次技术讲座外，马格内尔还参观了多家从事预应力混凝土技术研发和施工的公司，并与一家名为Preload（预载公司）。 Preload公司是当时美国圆形预应力容器设计和建造的领先公司。在 1948 年的胡桃路大桥项目中，在 Magnell 的帮助下，Preload 提供了预应力混凝土梁桥解决方案，与当时流行的拱桥解决方案相比节省了 30% 的资金。这一创新设计赢得了Preload合同。

核桃路大桥的业主是市工程管理局。肩负着保护公众生命、财产和安全的巨大责任的政府官员对这一极具创新性的计划极为谨慎。可想而知，为了让费城的城市工程管理官员接受预应力混凝土梁桥方案，Preload公司付出了多少努力；敢于接受这一大胆创新挑战的管理者们是何等的有远见啊！

为了确保可靠性，Magnell 制定了严格的预应力主梁施工程序。他规定混凝土的坍落度不得超过50毫米。为了保证混凝土振动质量，主梁等的浇筑必须采用钢模板。此外，Magnell还设计了全尺寸的梁破坏试验。 1949年10月25日，来自英国、比利时、墨西哥、加拿大、古巴和美国17个州的近300名工程师在大桥附近的试验场见证了这座49m跨预应力简支梁的破坏试验。 。

林同平的负载均衡方法

说起来，马格内尔确实是美国预应力混凝土行业的一大贡献者。核桃路纪念桥的成功是他的直接贡献。此外，马格内尔实验室还是“负载均衡法”的发源地。

1953年至1954年，时任加州大学伯克利分校教授的林同彦前往布鲁塞尔根特大学马格内尔实验室进行研究。在操作车轮加载预应力试验梁的过程中，林同峰将预应力筋的阻力“看到”为对抗弯矩的“内载荷”，“载荷平衡法”开始构思。也正是这一年，他将自己多年关于预应力混凝土的研究成果，汇编成《预应力混凝土结构设计》一书，于1955年在美国出版。这是第二本自出版（未翻译或转载） ）美国预应力混凝土结构设计专着。

1956年，艾森豪威尔总统签署《公路法》，美国公路桥梁建设开始迅速扩张。由于建筑业发展的历史渊源，桥梁建设呈现出明显的地域特色：东北地区多采用钢桥，南部各州多采用预制梁，现浇后张法箱梁桥在西方使用较多。无论是现浇梁还是预制梁，在使用过程中正确计算预应力混凝土梁的承载力十分重要。这是预应力混凝土技术推广的关键。

当时预应力混凝土结构分析常用两种方法，一种是“弹性设计法”，另一种是“极限强度设计法”。两种方法都是在特定的预设条件下使用特定的计算公式。由于预应力混凝土材料本身是复合材料，预应力的施加导致构件内部的应力状况与变形相关。再加上构件收缩和蠕变的影响，计算过程涉及多个相互关联的变量。当遇到超静定结构时，设计基本上只能通过反复试验来完成。整个过程繁琐、复杂。在计算尺广泛使用的时代，每一次试算都是一项非常艰巨的任务。如果没有足够数量的试算，就很难实现合理的设计并获得经济效益。

一位加州工程师形象地说：“是TY把我们从一大堆数学公式的泥潭中救了出来。” 1963年，林同平在《预应力混凝土结构设计》第二版中提出了一种新的设计方法，即“荷载平衡法”，如图6所示。这被认为是一个根本性的变革。超静定预应力混凝土构件设计分析方法。载荷平衡方法将预应力转换为与外部载荷“平衡”的“内部载荷”。这种转换使工程师能够使用长期建立的方法来安全、快速、轻松地设计预应力混凝土构件。

图6

林氏的荷载平衡方法通过公路建设高峰期设计方法的改变，将预应力混凝土技术的应用推向了最低水平，引发了未来30年预应力混凝土建筑的指数级增长。迄今为止，荷载平衡法仍然是预应力构件手算的常用方法。

回顾预应力混凝土技术的发展历史，最关键的贡献者不一定是专利注册人。发明当然很重要，因为它们是从头开始的；为了将发明推广到实际工程中，需要提供一种方便易行的实施方法。弗雷西内、马格内尔和林同平的杰出成就最好地诠释了工程师的定义：工程师不一定要发明不存在的东西。他们利用现有的发明和技术造福人类。

本文发表/《桥梁》杂志2018年第6期，总第86期

作者/尹德兰

作者系原林国际工程咨询（中国）有限公司桥梁总工程师。

编辑/陈晨

美术编辑/赵文