古罗马人最先将沙砾、石子与水掺合后加入粘合剂，制造混凝土。尽管古罗马人称之为水泥（opus cementitium），但当时所用的粘合剂却不同于现代水泥：由石膏、生石灰和产自维苏威火山附近的波佐利地区的白榴火山灰组成的混合物，这为建造大型穹顶提供了完美的材料。直到现在，公园126年完工的罗马万神殿的空间跨度仍然是任何其他非钢筋混凝土建筑所无法匹敌的。

现代水泥产业始于1824年，英国人约瑟夫•阿斯普丁（Joseph Aspdin）将高温烧制石灰岩和粘土的制法申请了专利。石灰、二氧化硅和氧化铝是现代水泥的主要成分；加入水、砂和石子后生成的浆体经养护硬化成为混凝土。常见的比例为7%~15%的水泥、14%~21%的水和60%~75%的砂石。

混凝土具有显著的抗压性。现代配方混凝土的抗压强度超过100兆帕——相当于一只非洲公象站在硬币上所产生的压力。但若要撕裂混凝土，只需2~5兆帕的拉力即可；从这点上讲，人的皮肤都比混凝土结实得多。

通过加固，可提高混凝土的抗拉强度。19世纪60年代，法国一位名叫约瑟夫•莫尼尔（Joseph Monier）的园丁首先运用该工艺，使用铁对花盆进行加固。到了19世纪末叶，钢筋加固法在施工中屡见不鲜。1903年，辛辛那提的英格尔大厦（Ingalls Building）成为全球首个使用钢筋混凝土的摩天大楼。此后，工程师纷纷将混凝土注入钢丝网或钢条网结构中并予以张拉。这种施加预应力的做法进一步强化了材料的抗拉强度。

如今，混凝土已经无处不在。如全球最高建筑迪拜的哈里发塔，又如风帆造型的悉尼歌剧院，这些可能是混凝土建筑中令人望之赞叹的佼佼者。钢筋混凝土让人们得以建造大型水电站大坝、大跨度桥梁和超大型海上钻井平台，亦可以铺设道路、高速、停车场和机场跑道。

1900至1928年，美国的水泥消耗量（水泥在混凝土中所占的比例不到15%）增长了10倍，达到3 000万吨。随着战后的经济扩张，包括洲际公路网的建设，全美的水泥消耗量在2005年攀至顶峰，约为1.28亿吨；最近的数据为年耗1亿吨左右。1985年，中国成为全球最大的水泥生产商，2018年产量突破23亿吨，现占全球总量的60%。中国在2017和2018年的水泥产量（约为47亿吨）几乎超过了美国20世纪的混凝土总产量。

然而，混凝土的寿命并非永无止境，万神殿的超长寿命仅为个例。混凝土在各类气候条件下均会受损，酸沉淀、震动、结构性超负荷和盐的侵蚀更会加速钢筋的损耗。因此，全球混凝土建筑背后的数百亿吨材料将很快需要替换、损毁或直接废弃。

混凝土的环境影响也是一大问题。工厂每生产1吨水泥，燃烧的劣质煤和石油焦便会生成约1吨的二氧化碳，相当于全球化石燃料产生了5%的碳排放。回收利用混凝土、利用电厂的高炉渣和粉煤灰、普及低碳或无碳型新流程可减少此类碳足迹，但这样的改善对当今超40亿吨的全球产量而言只是杯水车薪。

文章来源于《科技纵览》杂志

作者：Vaclav Smil