3.3 水泥和钢筋混凝土广泛应用于建筑

为了把石块或砖连结在一起，最早使用的胶结材料是天然粘土，粘土和水后有塑性和胶凝性，干后又变得相当坚硬。为了减少粘土干缩产生的裂纹，增加其强度，人们把砂和植物纤维如稻草加到粘土浆中。

进一步，人们开始使用石灰。石灰石存在很广，也便于开采。古代人用石灰石盖房子和砌炉灶，很快就认识到这种石料经煅烧后生成的石灰具有比天然粘土更好的胶凝性。世界上许多民族生产和使用石灰的历史都很悠久。公元前三千年埃及金字塔中也曾使用过石灰浆。

古代罗马人曾经利用当地由火山喷射物生成的一种天然胶结材料，把零碎的石块连成整体的拱券结构，建造了规模巨大的斗兽场、浴场等建筑。欧洲进入封建社会以后，在地中海沿岸和其他有火山灰沉积物的地方，人们还利用这种材料做建筑胶结材料，但是没有出现大型的混凝土建筑。这是因为，第一，这种材料很不普遍；第二，在古代条件下，建造大型混凝土结构极其耗费人力。罗马帝国的奴隶主有大批奴隶供其驱使，而长期处于严重分裂状态的欧洲封建社会则不具备采用这种材料和结构的社会条件。

在其后的一千多年中，建筑工程中使用的胶结材料没有重要的发展。

18世纪后半叶，工业和交通的发展促成了新的建筑胶结材料的产生。

建造港口、桥涵、水坝等水下结构特别需要耐水的胶结材料，各国的工程技术界都在寻求试制这类材料。18世纪中叶，英国工程师斯密顿（J.Smeaton）注意到粘土含量较高的石灰石烧制的石灰有较好的水硬性质。通过试验，他在1774年建造一座海上灯塔时，用石灰、粘土、砂和铁渣的混合物砌筑了灯塔基座。

18世纪末，有人用含铝的石灰石烧制出可以在水中硬化的材料，取名为“罗马水泥”。1816年在法国用这种水泥建造了一座桥。在俄国，有人研究把泥灰岩煅烧后磨成细粉。人们继续研究，从早已知道的把砖灰加进石灰浆中能提高耐水性的事实中得到启发，许多人试验把石灰石与粘土一同加以煅烧，如法国人维卡（L.J.Vicat，1786—1861）把白垩和粘土合起来煅烧，英国人亚斯普丁（J.Aspdin，1779—1855）把石灰石和粘土碎末合烧，后者的产品硬化后颜色与强度与波特兰地方出产的石料很相似，因此取名为“波特兰水泥”（Portland cement）。亚斯普丁于1824年取得专利权，波特兰水泥的名称也因此流传下来。

早期水泥生产的工艺自然十分简单，亚斯普丁曾经提到从用石灰岩或泥灰岩铺砌的道路上收集粉尘，用作生产水泥的原料这一事实。随着生产的发展，生产工艺和产品质量不断改进，人们对水泥的化学性质也逐渐加深认识。继英国之后，法国在1840年、德国在1855年开始建设水泥工厂，其他国家也相继发展水泥工业。水泥制造逐渐成为在国民经济中有一定地位的独立工业部门。

波特兰水泥出现后，用它与砂子、碎石制成的混凝土在工程中被广泛使用。混凝土可以浇筑成各种需要的形状，当其硬化后，有很高的抗压强度，而且能够耐火，但在拉力作用下却容易破裂。同它相反，钢铁却有很高的抗拉强度，但在高温下容易丧失其强度。在混凝土和钢铁这两种材料已经同时存在的情况下，人们很自然会想到把这两种材料结合起来，做成既能抗压又能抗拉的结构材料。

很多人积极探寻把钢铁同混凝土结合起来共同工作的构造方式。波特兰水泥出现不久，即有人提出了在铁梁之间用混凝土筑成楼板的方案（1829）。到19世纪40年代，英国有些多层厂房和仓库中，把煅铁板做成拱壳，架在横梁上，铁板上填灌混凝土，以此代替不耐振动的砖拱楼板。在使用砖拱时，有的横梁间的铁拉杆被埋置在混凝土中（如1845年英国土木工程师费尔贝恩建造的厂房）。很明显，这种做法是对砖拱楼板的模仿。进一步的发展是在混凝土中有目的地配置具有抗拉力的钢铁材料，这一步首先是在用水泥制作其他器物的过程中实现的。

19世纪50年代，法国人朗勃（Lambot）用水泥制造小船只，水泥中用了金属丝网（1854年在巴黎博览会上展出）。1861年，法国工程师克瓦涅（F.Coignet）提出了在混凝土中配置钢筋，用来建造水坝、管道和楼板构件的方法（F.Coignet：Les bétons agglomérés appligueś á 1árt de construise，Paris，1861）。从19世纪50年代开始，美国人雅特（T.Hyatt）也对配置钢筋的混凝土构件进行试验。雅特对钢铁在混凝土中的作用有正确认识，他把钢铁集中配置在梁的受拉区，在靠近支点处钢筋向上翻起，并在梁中设置垂直的钢箍。雅特在1878年写道：“铁或钢作为拉杆可以与混凝土或砖结合在一起，当梁或结构受弯时，铁或钢提供全部抗拉能力，同其他材料的抗压能力相平衡。”

以上一些人取得的成果很少为人知道，影响不大，后来广为传播的是法国园艺师芒耶（J.Monier，1828—1906）在1867年用铁丝网夹在混凝土中做成的盆罐。以后芒耶又配钢筋混凝土生产管子、铁路轨枕及其他构件。1873年前后，芒耶用钢筋混凝土建造过几个贮水池，1875年他建造了第一座钢筋混凝土桥（长16米，宽4米）。不过芒耶当时还没有掌握钢筋在混凝土中的结构作用，他主要是从塑造形体的需要来配置钢筋，尽管如此，他对钢筋混凝土的推广使用仍有较大影响。1890年在瑞士和德国用这种材料建造的拱桥，跨度达到40米。德国不来梅工业展览中的拱桥，拱尖厚25厘米。

19世纪90年代，钢筋混凝土开始用于房屋结构。最先用钢筋混凝土建造完整房屋的是德国营造者杭尼比克（F.Hennebigue，1842—1921），他吸取很多工匠的经验，在19世纪90年代发展出使用钢筋混凝土建造房屋的基础、柱、梁、楼板、屋盖的完整系统构造，发挥了钢筋混凝土的整体性优点。杭尼比克用这种系统在欧洲许多地方建造桥梁、工厂、谷仓、水利工程和百货公司等。他在给自己建造的钢筋混凝土结构的住宅中，有大胆悬挑的楼层和屋顶花园。杭尼比克的钢筋混凝土房屋使人们开始进一步认识到这种材料用于房屋建筑的可能性和重要性。这一时期，巴黎甚至出现了用钢筋混凝土建造的教堂（Saut-Jean de Mont-martre，1894年始建）。在20世纪90年代，美国也开始出现钢筋混凝土的建筑。

在实践的过程中，钢筋混凝土结构的理论分析也逐渐形成。1886年，柏林一些科学技术人员开始进行一系列科学实验，在实验基础上第一次提出了钢筋混凝土结构的理论和计算公式（M.Koehen，1849—1924）。计算中把梁的中心轴放在截面中心，略去混凝土的抗拉强度，依此来计算抗拉钢筋。1894年，法国工程师Edmond Coignet与De Tedesco也提出了钢筋混凝土结构的计算方法。

总的看来，在19世纪结束的时候，人们对运用钢结构有了更多的信心，而钢筋混凝土结构的建筑还只是一些个别的尝试，对钢筋混凝土及其结构的理论分析还远未成熟。 9BIM2bb0eG6No1i8lPEW6WyCLdjLNNzMKpBG98Jqakm9HMTkYSMte8Ln0WrLyJqp