译文：混凝土建造的历史 Zur Gesichte des Bauens mit Beton（一）

作者：Alexander Kierdorf, Jubert K.Hilsdorf （译者注：德语区作者，英法作者叙事肯定会不同）

钢筋混凝土建筑（Stahlbetonbau）的发展是建造技术史最令人兴奋的篇章，因为没有哪种材料的建造实践发生过如钢筋混凝土建筑（Stahlbetonbau）的发展是建造技术史最令人兴奋的篇章，因为没有哪种材料的建造实践发生过如此根本性的改变。从发明波特兰水泥（Portland Cements）的1824年到1887年英国建造师（Baumeister）J·阿斯普丁（Joseph Aspdin 1778-1885）发表所谓的莫尼尔手册（Monier-Brüschüre）只经历了短短的60年，手册中记载了Gustab Adolf Wayss和Matthias Koenen关于钢筋混凝土建筑的基本建造法则。可距离开发这种新材料最重要的性质和可能性却仅经历了超过100年的时间。在充满实验精神的19世纪，新的建造方法逐渐显现出潜力，但最初几乎没有被认可。随后，（新的建造方法）必须克服在建筑行业、科学界和官僚机构中的各种阻力。

钢筋混凝土的历史，就像绝大多数技术一样，是一步由许多小的，一个接一个，或者时间上平行的发明组成。这些发明的价值和重要性必须在实际应用中得以证明。早期的发现，就算真的被公开，（同样也会像）由于发明者的不积极而未发表一样无法成功地推广和使用（译者注：原文字面意思为，未被广泛采纳到一般技术知识中的发现）。但在20世纪，从钢铁混凝土（Eisenbeton）的成功开始，随着专业期刊的公开和发表，铸就了研究成果和实践经验在世界范围内的传播。在德语国家专业期刊是1901年由F·V·恩佩格(Frity von Emperger)编辑并出版的《混凝土与钢铁》（Beton und Eisen），即今天《混凝土和钢筋混凝土建筑》（Beton und Stahlbetonbau）的前身。

另外值得注意的是，在英格兰法国以及美国，钢筋混凝土都有各自的发展脉络，其虽然彼此有交流，但由于不同的科学和经济文化背景各国却走上了不同的道路。德国直到1884年通过Freytag&Heidschuch公司和Martenstein&Josseaux公司获得莫尼尔专利之前还一直非常边缘化，只有零星的技术引进和继续发展记录在案。直到需要将新技术稳固地基于科学基础以使其获得建筑审批的接受时，（人们）才开始对这种新建筑材料及其构建原理进行科学探讨。（因此）在20世纪，德语区国家在预制，模板，预应力施工提供了决定性的推动力（理论和实践两方面）。

1.材料

与木/天然石材/砖些有着经过详尽试验的传统工艺的传统建材不同，水泥和混凝土的发展离不开自然科学的研究。生产和加工必须不断进行变化和改进，到了今天它们受到了标准和规定的监管。只有混凝土和钢铁建筑材料的使用，才导致了手工艺者在建筑现场的主导地位被工程师所取代。为了更好的理解下面章节，首先需要澄清一些混凝土和钢筋混凝土的基本概念。

1.1 混凝土

混凝土是以砾石（Kies）或碎石（Steinsplitt粒径达几厘米）/沙子/水/以及一种水硬性灰泥（Zement）加工生产的（德文Zement在当代工程学中指“水泥”，与中文一致。但在技术史中分气硬性和水硬性两种Zement，因此此处翻译为“灰泥”）。砾石/碎石/沙子被称为混凝土骨料（Betonzuschalg）。混凝土还可以包含少量其他添加剂。这些混凝土成分通过合适的机械混合，然后直接定形或浇入模板。在这个过程中，水与水泥发生化学反应（Hydratation水化），形成水泥石（Zementstein，中文学术词汇是：净浆硬化体），水泥石将骨料颗粒粘结在一起，从而使混凝土硬化。我们今天的标准混凝土要达到强度通常需要时间较长，以至于通常要一个月后才能完全使用。而砂浆（Mörtel）指的是骨料仅由粒径小于约4mm的沙子组成（译者注：这里指的是国内的砌筑砂浆，德语区墙面抹灰很少用砂浆）。

混凝土的抗拉强度大约只有抗压强度的十分之一。为了使其成为抗拉抗弯的建筑构件，构造上通常要在受拉区添加钢构件，即配筋（Bewehrung）来加强（译者注：在技术史中的翻译应该是“配筋”，因为材料经历演变。工程学Bewehrung与中文“钢筋”含义完全一致）。这时人们称之为钢筋混凝土（Stahlbeton）。在发展开始阶段，大约20世纪中叶，这种构造被称为钢铁混凝土（Eisenbeton），而在奥地利被称为混凝土钢铁（Betoneisen）。在混凝土结构中，钢筋的加固作用仅混凝土受到大于其抗拉强度的应力时才发挥作用（中文阶段I）。之后混凝土上会出现细小裂缝，然后拉伸应力通过钢筋承担（中文阶段II）。混凝土上的这些细小裂缝只要不超过十分之一毫米就是无害的。这些裂缝可以通过在承受负载之前使用特殊的加固措施对混凝土结构施加压应力来避免。这种情况下称之为“预应力混凝土”（Spannbeton）。

1.1.1 粘合剂（Bindemittel）

粘合剂对于砂浆和混凝土的性质起到决定性作用。因此，混凝土的历史在很大程度上受到粘结材料的历史发展的影响。尽管壤土（Lehm）和黏土（Ton）是人类历史上最古老的粘结材料，它们通过干燥而硬化，但在重新湿润后会变软，而矿物粘结材料石膏（Gips）和石灰（Kalk）则通过永久的化学反应而固化。

1.1.1.1 石膏和石灰

石膏是从含有结晶水的石膏矿石中制造的，通过加热，在不同的烧制温度下，可以将其化学结合的水完全或部分驱逐出去。如果将经过煅烧和磨碎的石膏再次加入水，它将硬化并重新生成石膏石（Gipsstein），但这种石膏石是多孔的并具有高吸水性。因此，当受到湿润时，其将明显失去强度。尽管石膏在现代水泥制造中很重要，但在混凝土的历史中并没有起到关键作用，主要用于制造砌墙砂浆（Mauermörtel）、抹灰（Putz）和地面砂浆（Estrich，仅用于地面，与砌墙用砂浆Mörtel所要求的指标不同，在中文中高流动性地面砂浆有单独名称，为“自流平”）。

在建筑材料的历史发展以及现代水泥的制造中，几乎不可或缺的是通过石灰石制备的气硬石灰（Luftkalk）（译者注：中文没有“气硬石灰”的概念，因为中文也没有“水硬石灰”的概念。中文默认石灰在空气中发生“硬化”，而在水或潮湿空气中发生“熟化”或“消化”。而德文中保留了“水硬石灰”这个因为认知局限而产生的历史概念，即Wasserkalk）。原料是石灰石，一种粗晶至细晶的岩石，其主要成分是方解石矿物。石灰石通过在800°C至900°C之间的温度下煅烧，转化为氧化钙，并变得具有反应活性。然后，这个氧化钙，也称为生石灰，会被加水消除活性。这可以以不同的方式进行：通过大量加水然后浸泡（译者注：制备成石灰乳，也称为Sumpfkalk）、通过一次性浸泡或喷水（制备石灰水Kalkhydrat）或者通过与沙子一起干法消除活性（主要用于砌墙砂浆，古时常用）。如果将石灰水（氢氧化钙）与石英砂和水混合制成砂浆，通常不是通过与砂或混合水的反应而硬化，而是通过与从空气中渗入逐渐干燥的砂浆中的二氧化碳反应而硬化。从生石灰和二氧化碳之间的反应中再次生成碳酸钙。由于空气在砂浆中渗透速度非常慢，因此这个硬化过程，特别是在厚墙中，也会非常缓慢（译者注：在西方这是传统意大利石灰基水磨石Terrazzo干燥极其缓慢的原因，经常长达半年以上。在东方，这是“三合土”中石灰粉的硬化过程）。在水下不可能发生硬化，因为二氧化碳不可用或不能渗入砂浆中的水填充孔隙（译者注：见石灰的“熟化”和“消化”反应）。因此，这类粘结剂被称为非水硬性（nichthydraulisch）粘结剂。

1.1.1.2 水硬石灰（Hydraulischer Kalk，Wasserkalk）（译者注：见“气硬石灰”译者注）

事实上，经过煅烧的石灰也可以具有水硬特性，这意味着它可以在空气或水中通过与水反应而硬化，然后变得耐水。这是在石灰石中含有粘土成分（Ton，粘土通黏土），例如在黏土岩中（Mergel），或者在石灰石经煅烧后添加了其他成分的情况下发生的。这些附加成分包括白榴火山灰（puzzolane）和砖粉（Ziegelmehl）等。它们可以赋予石灰灰泥水硬化的特性，使其能够在水中硬化并具有耐水性（译者注：石灰本身依然不能在水中硬化，起作用的物质为粘土和火山灰，这是水泥真正的有效成分）。对于通过添加砖粉或使用火山灰（vulkanischer Aschen为德语科学描述的火山灰，puzzolane为源于拉丁语，由火山灰形成的岩石，即硅质火山灰，中文称为白榴火山灰）使石灰砂浆具有耐水性的发现，可以追溯到很久以前的历史。在《建筑十书》（De architectura libri decem）中，维特鲁威（Vitruvius）详细记录了关于石灰和石灰砂浆的制造和加工，以及关于火山灰的潜在水力特性的信息。火山灰是罗马"opus caementitium"（水泥工程）的重要组成部分。这些古代文献为我们了解古代建筑材料和工程技术提供了宝贵的信息。使用这些粘结材料制成的砂浆不仅具有耐水性，而且硬化速度明显更快，强度也更高，相比纯粹使用生石灰混合的砂浆来说。这些特性使得这些砂浆在建筑和工程中具有显著的优势。正是基于这种新的建筑方式，罗马的大型建筑，特别是壮丽的穹顶建筑，才能够得以建造。即使是这些建筑的废墟，也仍然是“罗马混凝土”的高质量的标志。

意大利天然puzzolane火山岩，广泛存在于那不勒斯和西西里

1.1.2 罗马水泥，波特兰水泥

尽管在罗马帝国灭亡后，有关制造人工水硬性砂浆的一部分知识丧失了，但在中世纪，人们仍然使用了水硬性石灰，尽管主要是来自自然产出。自16世纪以来，尤其是在荷兰，也开始使用来自艾菲尔Eifel地区的玄武岩石粉末(Trass)，这种材料称为Trass。Trass是由细磨的凝灰岩(Tuffstein)制成的，凝灰岩是一种火山渣岩(vulkanischen Schlacke)，早在罗马时代就被开采，它同样具有天然的水硬特性。在18世纪中叶，英格兰和法国开始加强探索持久、防水的砂浆的研究。为了达到这个目标，工程师和建筑师特别关注寻找作为粘结剂的天然水硬性石灰。在为英格兰南部海港城市普利茅斯（Plymouth）前的埃迪斯通Eddystone灯塔(1756-1759)建设做准备时，约翰·斯梅顿(John Smeaton, 1724-1792)通过对不同石灰石种类的系统分析发现，“石灰石中粘土成分的含量是判断适用于水利工程的石灰的最可靠标准”。因此，他认识到特定的石灰-粘土混合物具有水硬特性，因此可以获得与使用从意大利引进的火山灰（Puzzolanerden）添加的石灰砂浆类似的结果。1791年，斯梅顿公开发表了他的研究，这为制造天然水泥提供了启示。仅仅五年后，来自肯特郡的詹姆斯·帕克（James Parker），可能受到斯梅顿的发表启发，申请了一项专利，用于一种由泥灰岩(Mergelnieren)烧制而成的水硬性粘合剂，他称之为“Roman cement”，可能是因为其红色与意大利火山灰岩(Puzzolanen)相似。然而，适用原材料的有限供应限制了这种粘结材料的生产，而且当时人们还不理解其化学和物理关联。

（译者注：事实上文艺复兴时期的巨匠对于恢复罗马混凝土配方起到了至关重要的作用，比如帕拉弟奥。他和后继者Viviani重现了罗马混凝土的制作，并运用于运用于人造石和水利工程。进入18世纪，罗马配方混凝土迎来应用高峰，古罗马火山灰矿被大量开采，并大大促进了意大利那不勒斯和罗马一带的Puzzolane的出口。早在17世纪，意大利已经大量出口火山岩至法国用于南法的运河系统建造（火车出现前的欧洲最重要的交通基础设施），西班牙葡萄牙瑞典也有进口。而修建埃迪斯通灯塔的J·斯梅顿同样是通过已经广泛存在的Puzzolane贸易网获得了这种已经应用于伦敦威斯敏斯特大桥建造的材料。意大利的出口维持到18世纪中叶，之后法国在毛里求斯和中美殖民地发现了Puzzolane矿产。大约与意大利Puzzolane贸易同时，德国在古罗马时期的火山岩矿中也成功挖掘了石化火山灰，既凝灰岩(Tuffstein)，荷兰情况与之类似。实际上从16到18世纪，意大利的Puzzolane和荷兰的Trass是波特兰水泥出现前最重要的水硬性材料，并且保持着贸易竞争关系。）

1818年，法国水利工程师L-J·维卡（Louis-Joseph Vicat）发表了一种由石灰和粘土制成的人工水硬性砂浆的配方，他称之为“cimet calcaire”。他在1812年的多尔多涅Dordogne省Souillac上的桥梁建设中首次使用了这种砂浆。维卡的重大影响导致在法国的水利工程中，几十年来主要使用水硬性石灰，即使在英国和德语国家早就更倾向于使用现代的波特兰水泥。（译者注，事实上Bouglogne-sur-Mer所产的石膏因含有水硬性成分，是法国重要的水硬性石膏产地，甚至还出口到后来开发出波特兰水泥的英国。）

英国建造师（Baumeister）J·阿斯普丁（Joseph Aspdin, 1778-1885）最终通过实验成功地制造出水泥，其方法是烧制了正确比例的粘土(Ton)和石灰石粉末(Kalksteinmehl)混合物。但仔细观察后发现，这实际上只是一种人工的罗马灰泥（Romanzement），其烧制温度仍然低于熔化温度。因此，他在1834年申请了一个名为“优化人工石制备Verbesserung in der Herstellung künstlicher Steine”的专利。由于由此制成的砂浆(Mörtel)与一种受欢迎的英国石灰石品种波特兰石（Portlandstone）非常相似，所以他将自己的粘结剂命名为“波特兰水泥”（Portland Cement，国内称之为硅酸盐水泥）。

I·C·约翰逊(Isaac Charles Johnson, 1811-1911)后来声称他在1844年完成了通往现代波特兰水泥的最后一步，通过在煅烧(Brennen)过程中使用更高的温度(1400-1500摄氏度)引发了熔融作用(Sinterung)——即原材料的短暂液化(Verfüssigung)——从而显著改进了所获得水泥的特性（译者注：即二次烧结法）。这种水泥的快速硬化以及随后更高的强度将其与罗马灰泥明显区分开来，并使其在国际上成为了一个质量标志。然而，关于首次认识到水泥制造中升高煅烧温度的重要性这一功绩，J·阿斯普丁(Joseph Aspdin)的儿子W·阿斯普丁（William Aspdin）对此存有异议。

同时，新兴的自然科学(Naturwissenschaft)也开始研究水泥和这些新型建筑材料的问题，尽管它们在很大程度上仍然是基于经验进行的。当巴伐利亚化学家M·V·佩滕科费尔（Max von Pettenkofer, 1818-1901）于1847年在德国公开了英国波特兰水泥的秘密配方时，为今天的水泥工业的发展铺平了道路。借助从广泛存在的简单原材料石灰和粘土制造的相对廉价的波特兰水泥，以及通过改进熟料窑(Brennöfen)，数十年内工业水泥生产崛起。大约在1840年左右，随着经过烧结(Sinterung)改进的水泥越来越畅销，英格兰已经有四家水泥工厂将其产品出口到全世界。在德国，也开始出现了第一批真正的波特兰水泥工厂，首先是由H·布莱布劳（Hermann Bleibtreu, 1824-1881）于1855年在Züllchow bei Stettin建立，以及于1856年在波恩附近的Oberkassel建立。很快，在西里西亚（Schlesien，德国捷克波兰交界，曾属德国，二战后划归波兰）以及北德和南德也相继成立了其他工厂。

（译者注：关于波特兰水泥的传播：1875年美国费城出现了第一家波特兰水泥工厂，此前美国全部从英国和德国进口，并直到20世纪初期才实现了进口替代。而中国第一家水泥厂：唐山细绵土厂始建于1889年，技术引进自英国。起初目的为北洋海军的军事工程及开平煤矿运输铁路的建筑提供水泥。1896年，改为引进德国技术，实现了原料本地化。1906年唐山细绵土厂改为“官督商办”，并更名为唐山洋灰公司。1907更名为“唐山启新洋灰股份有限公司”并购置下文中提到的1877年发明的回转窑，球磨机等设备。1912年实现向第一次对外出口，之后主要出口东南亚。1915年获巴拿马国赛会头奖。1919年因一战进口停止，启新作为国内唯一水泥厂，其国内有率超过90%。1929年日灰开始对国内倾销。1935年美灰开始对国内倾销。截止1936年，国内有：启新，西北实业，致敬，中国，华商，江南，华记，重庆，西村九家主要水泥生产厂家。1937年前国灰市场占有率待考。）

William Aspdin于1858年移民德国后于丹麦建立的工厂，1860年后该地区划归德国

在这个时期，用于水泥制造的黏土和石灰石经过机械处理，即粗磨，然后与少量水混合，成形为小而砖形的块，并在竖井窑(Schachtöfen)中烧制。磨碎的水泥被装在桶中，后来则是袋子中，以防水的方式包装并发货。尽管早期的制造方法遵循了“周期性(periodischen)”石灰窑的原则——即填充、烧制和排空高炉(Hochofen)，但在1863/64年成立的迪克霍夫（Dyckerhoff）水泥厂中，位于今天的莱茵河附近的Amöneburg以及Wiesbaden-Bibrich已经使用了于1858/58年为砖制造开发的霍夫曼环形窑（Hoffmann Ringofen）（译者注：霍夫曼窑更广泛的用途是烧砖，详见李海清著作《再谈现代转型》），它具有连续的、全方位的烧结特性，用于水泥熟料生产(Zementklinkerproduktion)。作为取代传统竖井窑(Schachtöfen)的另一种选择，1877年第一台回转窑(Drehrohrofen)在英格兰获得专利。这项新技术在19世纪末期在美国成熟，并在随后的几年迅速传播到全球（译者注：其主要用途是化学工业，如制碱等）。但是现在（的工艺），（生产）不再需要预制水泥砖，而是直接烧制原始混合料。

烧石膏用的竖井窑Schachtöfen

高炉Hochofen，也用于炼铁

早期霍夫曼窑圆形，后期为拉长环型

早期回转窑

早期回转窑

1.1.3 改善水泥性质

科学家和实践者不断努力改进水泥的性能。对于波特兰水泥的进一步发展尤为重要的是在制造过程中的化学反应和水化反应的阐明，这是由W·迈克利斯（Wilhelm Michaelis, 1840-1911）于1869年发表的有关水硬性粘结材料的研究。大学和公司实验室互相竞争，很快将研究扩展到各种被混合到水泥中的混凝土添加剂(Betonzusätze)。起初，水泥的凝结时间(Abbindezeit)很长，也就是开始凝固(Erstarrens)的时间，(混凝土添加剂)在这个过程中起到了重要作用。1908年，由拉法基(Lafarge)研究实验室的主任朱尔斯·比德（Jules Bied）开发的“熔融铝土水泥”（ciment fondu）面市。这种“熔融铝土水泥”在一天之内就能达到其日后近80%的抗压强度，从而显著加速了建筑过程。然而，今天在德国，这种水泥已不再被允许用于常规建造，因为出于化学原因，它可能会导致混凝土强度渐渐变弱(Entfestigung)。为了减少混凝土硬化过程中的热量产生，特别是在水利工程的厚壁结构中可能会出现问题，人们开发了一种与高达60%天然火山灰（Trass）混合的“火山灰水泥”（Trasszement），这种水泥今天仍在使用中。（译者注：Trass是Eifel一带出产的火山凝灰岩的地域名称，与之前提到的意大利火山灰岩Pozzolana类似）

Eifel一带凝灰岩Tuffstein开采，用于制造Trass

尤其是在将高炉矿渣掺入水泥中的问题上，引发了关于这种新建筑材料纯度的长期争议。一方面，将铁冶炼的副产品，这些副产品也具有水泥的黏土性能，与火山凝灰岩相似，进一步利用似乎是合理的，尽管它是通过高能耗制造的。另一方面，水泥工业担心强大的矿业工业(Montanindustrie)的竞争，后者寻求从副产品和废料的进一步收入以及它们的废料的用途。最终，在20世纪初，他们就允许添加研磨矿渣(Schlacke)的两种矿渣水泥(Hüttenzementen)达成了一致：含30%矿渣的“铁波特兰水泥”(Eisenportlandzement)和70%矿渣含量的“高炉水泥”(Hochofenzement)。今天，在欧洲，有多种获得建筑审查批准的水泥，其中包含了一系列不同种类的掺合料(Zumahlstoffe)。

1.1.4 水泥规范的引入（德国）

1875年，W·迈克利斯（Wilhelm Michaelis, 1840-1911）发表了他的文章《关于水泥的评估Zur Beurteilung des Cementes》。其中的论点成为由独立专家委员会制定的一项关于波特兰水泥统一交付和测试的标准草案的基础。其中一个关键点是确定一种可靠且经济的测试方法，用于定义水泥可以达到的抗压强度。这个测试应该在一个混凝土块上进行，该混凝土块由1份水泥和3份等粒径的石英砂（称为“标准砂”）的混合物制成，并在室温下储存24小时，然后在水中浸泡，在28天的时候应该达到至少10kg/cm2的最低抗压强度。为了共同实施这些和其他规定，于1877年成立了“德国水泥制造商协会Verein Deutscher Cement-Fabrikanten”，在1948年更名为“德国波特兰水泥和矿渣水泥协会Verein Deutscher Portland- und(Hüttenzementwerke”，在1952年改名为“德国水泥协会Verein Deutscher Zementwerke”（VDZ）。在1878年11月10日，这个德国水泥生产商协会获得了普鲁士公共工程部的官方承认，批准了一项水泥标准。这是德国第一个针对工厂生产的工业产品的工业标准，随后在其他欧洲国家也出现了类似的水泥标准。水泥标准不断得到补充，并根据当时的知识水平进行调整。除了抗压强度之外，还记录了许多其他性质，特别是与凝固过程(Erstarrungsverhalten)、强度发展速度(Festigkeitentwicklung)以及体积稳定性(Raumbeständigkeit, Volumenstabilität)有关的性质。1909年和1917年分别制定了关于铁波特兰水泥(Eisenportlandzement)和高炉水泥(Hochofenzement)的独立标准，这些标准于1932年合并为波特兰水泥、铁波特兰水泥和高炉水泥的共同标准。在1927年和1943年，由于预应力混凝土和预制构件的出现，引入了额外的水泥强度等级，因此可以区分普通(handelsüblich，即交易级)、高质量(hochwertig)和更高质量(höherwertig)的水泥。如今，这些水泥在整个欧洲被囊括于CEN标准。

1.1.5 混凝土骨料和其他添加剂

混凝土骨料占据了高达75%的混凝土体积，虽然在化学上基本中性，但它们对混凝土的耐久性和机械性能具有重要意义。通常主要使用沙子和砾石，这些材料通常可以直接或在施工现场附近获取，因此是成本效益高的填充材料。除了沙子和砾石外，今天还使用天然石材碎石和破碎砂作为混凝土骨料。从细颗粒到粗颗粒的自然级别通常导致骨料堆积(Packung der Zuschläge)紧密，从而使剩余空隙最小化，（由于）这些空隙需要用胶合剂或砂浆填充。（因此）这种减少空隙的做法可以节省水泥。

直到20世纪初现代混凝土技术的出现，人们才开始通过筛分来进一步优化骨料的堆积，首先将沙子和砾石分别筛分成不同尺寸的颗粒，然后按照规定的筛选线(Sieblinien)重新组合，以达到最小的孔隙含量。除了颗粒分布之外，骨料的强度和密度也是重要的性质。它们是影响混凝土结构自身重量的因素之一。

轻质混凝土”Leichtbeton"，通常使用多孔材料，如轻石、轻陶粒或砖块碎片作为骨料。在使用这些轻质骨料时，除了重量外，还会受到骨料吸水性等因素的影响，这些因素都会影响最终的混凝土产品。第二次世界大战后，回收再利用的骨料逐渐发挥了作用。在重建时期，将建筑废料重新用作混凝土骨料不仅有助于清理废墟，还可以替代由于取材和运输能力减少而短缺的材料，以及节省传统骨料。在这个背景下，尤其是砖块碎片被广泛使用，这些碎片在移动回收设备中像其他建筑垃圾一样被粉碎和分类；因此，该产品被称为"Ziegelsplittbeton"，即"碎砖混凝土"。如今，为了减少建筑垃圾的产生和运输，以及保护砂石和天然石材资源，使用经过处理的混凝土废料作为再生骨料正在逐渐成为趋势。

在混凝土和砂浆的制备过程中，除了混凝土骨料、水和水泥外，通常还会添加少量的无机(anorganisch)和有机(organisch)添加剂，以改善特定性能，例如可加工性(Verarbeitbarkeit)、强度发展(festigkeitentwicklung)、防水性(Wasserdichtigkeit)或抗冻性(Frostwiderstand)。最早的“凝固加速剂Erstarrungsbeschleuniger”之一可能是自1873年以来使用的氯化钙；然而，于1919年已经证实它会促进混凝土中钢铁的腐蚀。

1.2 罗马混凝土

新时代混凝土的历史始于19世纪，但文献中经常提到“罗马混凝土”，即“opus caementitium”，作为（新时代混凝土）前身。与今天的混凝土使用的粘结材料波特兰水泥不同，公元1世纪开始使用的“opus caementitium”是一种含有水硬性添加剂（通常是Pozzulane）的石灰砂浆(Kalkmörtel)，夹在模板或砌体之间，并使用大约拳头大小的天然石块。维特鲁威区分了具有规则网格外观的“opus reticulatum”石块机理和不规则的“opus incertum”石块机理。然而，他特别推荐了希腊的“opus emplectum”，即“镂空砌体”，其中粘合砖(Bindesteine)连接了两个外壳（译者注：opus emplecton是以石砌外壳，以砖砌外壳的叫opus latericium）。他写道：“然而，我们的人民考虑到快速施工，只关注面壳的安装，将砖块竖立并在中间用与砂浆混合的石块填充分开。因此，在这种墙体上，将建立三层：两个外壳和一个中间填料层(Füllmasse)。”

在希腊的自然石墙结构中，主要是厚实且精心设置的墙壳承受着重量，而罗马人进一步发展了这种建筑方式，使较厚的内核承担了支撑功能，而薄薄的外壳主要用于建筑上的装饰作用。罗马人在他们的建筑方式中已经非常接近现代混凝土建筑技术，当他们不再将砂浆填充在砖砌墙壳之间，而是将其注入木板模板之间，这些模板在材料硬化后可以被移除和重复使用。此外，非常重要的是，与浇筑工程的粘结剂相比，“opus caementitium”的粘结剂以及我们现代的水泥都具有水硬性。尽管罗马时期的粘结材料（熟石灰和水硬性添加物，即火山灰）在其性质，特别是硬化速度方面，与我们今天的水泥不可同日而语，但是在近2000年的历史中，“opus caementitium”的结构、成分和性质与今天制造的中等强度混凝土非常相似。这种“罗马混凝土”具有耐久性，并为制造大型的单体建筑元素（如基础和拱顶），尤其是港口建筑、水道、高架渠、水箱和道路等提供了可能性，其中一些建筑至今仍然保存完好。它的使用是为了应对大规模的建筑结构和拥有许多未受过专门培训的工人的工地，这些工人可以执行简单的任务——与中世纪的建筑工地形成鲜明对比，后者以熟练的石匠工作为特征。

罗马时代墙的三种主要做法，混凝土墙需要大量罗马混凝土

罗马混凝土墙的几种外壳做法

（译者注：由于本文主要介绍的是现代钢筋混凝土，因此对罗马混凝土介绍相对简略。比如并未详细提及罗马混凝土的应用时间，应用范围，应用工程类型，骨料及模版技术等。另外最核心的一点是，虽然罗马水泥与波特兰水泥虽然配方，生产过程，化学反应，成型时间均有不同，但最终起粘接作用的主要物质却是相同的，即水化硅酸钙Calciumsilicathydrat，CSH）

1.3 混凝土技术

自从发展出波特兰水泥以来，人们一直在考虑如何克服混凝土的主要弱点，即其较低的抗拉强度。这标志着（这些努力促进了）钢筋混凝土和日后预应力混凝土的发展。

在过去的150年里，混凝土技术经历了显著的发展。首先，人们致力于识别、描述和最终优化混凝土的特性以及影响这些特性的参数。在这个过程中，需要区分混凝土在硬化前新鲜状态下的特性，例如可加工性，以及混凝土硬化后的特性，特别是其机械性能（强度）、变形特征（译者注：弹性和塑性形变）以及抵抗外部影响的耐久性。

在混凝土技术的早期阶段，用于评价混凝土质量的关键特征是水泥与骨料的混合比(Mischungsverhältnis)。科学混凝土研究的最早基础由René Féret(1861-1947)奠定，他强调混凝土抗压强度作为衡量混凝土质量的标准，并揭示了混凝土抗压强度与混凝土组成，特别是与水含量(Wassergehalt)之间的关系。因此，毫不奇怪的是，在1898年由Hartwig Hüser(1834-1899)、Eugen Dyckerhoff(1844-1924)等人发起成立的“德国混凝土协会Deutsche Beton Verein”推荐其成员使用一台适用于混凝土立方体抗压强度测试的压力试验机，并建议对工地混凝土的抗压强度进行定期检查。直到今天，混凝土抗压强度仍然是混凝土质量控制的重要特征之一。

美国人Duff Andrew Abrams(1880-1965)在混凝土技术进一步发展的工作中具有特殊意义。他于1918年发表了杰出的著作《混凝土配合设计》（Design of Concrete Mixtures）。其中他指出，混凝土的抗压强度与制备过程中添加的水量成反比，这由混凝土技术中的关键参数“水灰比 Wasserzementwert”来表示，即水与水泥的重量或体积比。随后几年，人们认识到降低此参数不仅利于混凝土的抗压强度，还有利于增强几乎所有重要的机械和物理性能，包括拉伸强度、刚度、抗渗性（水和气体），从而根本上提高了混凝土的耐久性。然而，混凝土技术的困境也被揭示出来，即新鲜混凝土的高水含量通常有利于易于加工性，但对硬化后的混凝土性能产生不利影响。直到二战后，“混凝土流动剂(Betonverflüssigern)”的发展，以及大约在1970年代之后的“流动剂(Fliessmitteln)”的开发（译者注：国内称为减水剂），才使得（人们）可以有针对性地制备水灰比非常低、抗压强度非常高，且非常致密的混凝土。因此，在施工条件下可以实现的混凝土抗压强度从20世纪初期约为10N/mm2的值增加到了二战后的50N/mm2以上。现代高性能混凝土可以达到约150N/mm2，未来还可以进一步提高。

混凝土技术发展的其他里程碑包括：

• 混凝土混合比和骨料结构的优化： 对混凝土混合比和骨料结构进行优化，以提高混凝土的性能和耐久性。
• 混凝土添加剂的发展： 发展了各种混凝土添加剂，用于改善混凝土的工作性能、强度和其他特性。
• 改进的混凝土制造和运输方法： 包括混凝土泵送技术和混凝土运输车辆的改进，以提高混凝土的生产效率和准确性。
• 混凝土耐久性的提升： 包括提高混凝土的抗渗性、耐冻性以及抗化学侵蚀性，以延长混凝土结构的使用寿命。
• 轻质混凝土的发展： 开发了轻质混凝土，用于特定应用，例如需要减轻结构负荷的情况（译者注，另外还促进了日后自保温混凝土的发展）。
• 纤维混凝土的发展： 开发了纤维混凝土，其中在混凝土中添加了钢或塑料纤维，以提高其抗拉强度和韧性。

这些基本的新认识包括水泥石硬化过程中的反应机制，混凝土在受载情况下的破裂和变形行为，以及通过材料力学定律对这些过程进行分析描述，（这些）成为混凝土和钢筋混凝土结构的设计和计算基础。在德国，对混凝土性质的现代认识做出了重要贡献，其中包括以下人物： 卡尔·冯·巴赫（Carl von Bach, 1847-1931）,他进行了有关混凝土抗压强度随时间发展以及与试件尺寸和形状的关系的早期研究。 奥托·格拉夫（Otto Graf, 1881-1956）, 作为负责人，斯图加特这座以其名字命名的材料测试机构不仅涵盖了混凝土技术，还包括钢筋混凝土结构工程。 阿尔弗雷德·休梅尔（Alfred Hummel, 1891-1973）, 他的研究重点主要是混凝土的变形性能。 库尔特·瓦尔兹（Kurt Walz, 1904-1999）, 作为杜塞尔多夫的德国水泥协会的总经理(Hauptgeschäftsführer)，他主要致力于改进混凝土的耐久性。 这些研究者的工作对于现代混凝土技术和钢筋混凝土结构工程的发展起到了关键作用，为我们更好地理解混凝土的性质和行为提供了重要的基础。

1.4 钢筋

19世纪中叶，钢筋混凝土的发展初期，作为钢筋构件(Bewehrungselemente)的只有直径高达40毫米拉拔和锻打的钢丝(Drähte)和钢条(Stäbe)。作为支撑结构的还包括嵌入混凝土中的轧制型材(Walzprofil)，类似于（当时）铁轨或钢铁结构中使用的那种。早期的钢筋通常是通过18世纪英国发展的搅炼法(Puddelverfahren)制造的，这些元素是塑性变形的锻铁(Schweisseisen 或 Schmiedeeisen)或低碳铁(Flusseisen)产品，具有相对较低的抗拉强度。至少在英国，（人们）还尝试使用钢绳作为钢筋。铸铁(Gusseisen)，因其脆性和更适用于受压而不适用于受拉而不适合用作钢筋。（不过）由于新型炼钢方法的迅速发展，特别是1856年的贝塞默炉(Bessermer-Birne,即“转炉炼钢法”)和1864年的西门子-马丁炉(Siemens-Martin-Ofen,即”平炉炼钢法“)，因此可以既便宜又稳定的获得高质量的钢材，其因具有较高的碳含量而更加抗拉。

搅拌法

转炉

平炉

当然，钢筋的形状、数量和位置从一开始就是钢筋混凝土结构设计中经常被讨论和计算的参数，（而且）很快就被纳入了建筑规范中。早期钢筋混凝土建筑的所有欧洲先驱都使用光圆钢筋，通过钢丝连接并保持在其位置上。弗朗索瓦·埃纳比克（Francois Hennebique, 1843-1921）是钢筋混凝土领域的杰出先驱之一，他使用了光滑的钢筋和平板铁作为箍筋的组合。（与之相比）金属板材由于与混凝土的粘结性差，因此被拒绝使用。

19世纪末期，人们已经认识到确保混凝土和钢筋元素之间的最佳协同工作的必要性。一种解决方案是使用螺纹钢筋代替光圆钢筋。因此，1893年，美国的Ernest Leslie Ransome首次制造并申请专利了各种不同形状的螺纹钢筋用于他的建筑项目。这种“混凝土螺纹钢”（Betonrippenstahl）一直发展延续至今。

Ransome

Isteg

Kahn

自上世纪30年代以来，通过扭曲具有矩形截面的钢筋已经制造出了所谓的”螺旋钢筋Törstähle”（为首次中文翻译，待定）。这些钢筋具有类似于螺纹钢的纵向肋条，（并以此）改善了混凝土和钢材之间的粘结。此外，在室温下扭曲钢筋显著提高了钢的抗拉强度。

在德语国家，最初尝试通过构造措施，例如将钢筋端部弯曲成”尾钩Endehaken”（为首次中文翻译，待定），以确保混凝土与光滑圆钢筋之间有足够的粘结。尽管美国开发的螺纹钢已经出现，但由于价格较高和其承载性能尚未完全明确，最初几乎没有被广泛采用。直到第二次世界大战结束后，混凝土螺纹钢在德国、瑞士和奥地利也成为最重要的钢筋类型。在此过程中，表面螺纹形状也得到了系统优化，因此今天的混凝土螺纹钢具有纵向肋条和弯曲的横向肋条。

除了使用单根钢筋，早在1929年，第一批“混凝土钢筋网Bewehrungsmatte”就已经上市，而在19世纪末期，也已经开始使用了钢制金属丝网作为钢筋。混凝土钢筋网是由两层交叉并相互垂直的钢筋构成的钢筋构件，在交叉点上，它们通过机械方式或者现在通常通过点焊(Punktschweissung)连接在一起。

（译者注：对于建筑历史而言，混凝土钢筋网的应用大大丰富了建筑设计语言，从Nervi开始，20世纪30年代后期开始出现的各类古典审美的优雅混凝土结构均与此项技术的应用相关。）

另一种预制钢筋元素形式是自约1960年以来可获得的钢制“格栅梁”（Gitterträger）。它们由上下弦杆和对角线组成，因此具有自承载性，用于加固预制或半预制构件，如板梁或楼板等。

随着对钢材的了解不断增加，钢筋的性质得以有针对性地优化，并对其性能进行了规定和检测。为此，1923/24年，德国首次制定了最初仅用于钢筋混凝土的”普通钢材Handelseisen”（与混凝土等级对应，最低等级译为“普通”。字面翻译应为“交易级钢材”，与日语翻译“市販鋼材”类似）的标准。第一个混凝土钢筋标准于1939年发布，自此经多次修订和补充。随着钢铁生产技术的发展，对钢筋的要求也不断扩大，例如对表面处理(Oberflächengestaltung)、焊接性能(Schweisseignung)或循环载荷抗力(Widerstand gegen zyklische Beanspruchungen)的要求。与此同时，钢筋的种类也变得多样化，直到1984年实现了标准化，因此德国标准中只包括了三种混凝土钢筋，其直径在6到28毫米之间，它们都具有纵向肋条并适用于焊接。

（译者注，此处有误，德国钢筋确实分三类，即1.Betonstabstahl B500B，冷/热轧直钢筋，有螺纹，直径6至40mm，2.Betonstahl in Ringen B500B，热轧线材，有螺纹，B500B直径6至16mm，B500A直径6至12mm，用于钢筋产品深加工。3.Bewehrungsdraht冷轧线材，B500A+G无螺纹，B500A+P有螺纹，用于钢筋产品深加工。）

钢筋混凝土建筑发展的其中一个重要前提是，只要满足特定的边际条件，混入混凝土中的钢筋就必须具有抗腐蚀性。然而，当氯化物渗入混凝土时，这个条件特别难以满足。因此，自大约1970年以来，人们开始开发具有增强耐腐蚀性能的混凝土钢筋。

（译者注：文中已经提到了氯化物对钢筋生锈的危害，但没有提及含碱骨料对于混凝土的危害。以及人们认识到这个问题的过程。远有迈阿密大楼垮塌，近有热那亚大桥垮塌。当然，这或许已经可以单开一篇文章了）

下接《译文：混凝土建造的历史 Zur Gesichte des Bauens mit Beton（二）》 https://www.douban.com/note/854674089/?_i=08852379JrrHWw