科學(xué)家破解古羅馬混凝土“長壽”之謎

羅馬碼頭和其他用古老水泥混合建造的港口結(jié)構(gòu)已經(jīng)持續(xù)了幾千年

  古羅馬人建造的混凝土海墻在2000多年的時間里經(jīng)受住了海浪的沖擊?，F(xiàn)在，一個國際研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)于這種混凝土如此“長壽”的秘密——混凝土和海水之間的化學(xué)反應(yīng)形成了一種罕見的礦物質(zhì)，從而能夠強(qiáng)化這種材料。

  這項研究的負(fù)責(zé)人、美國鹽湖城猶他大學(xué)地質(zhì)學(xué)家Marie Jackson指出，結(jié)構(gòu)工程師們或許可以利用這些見解制造更堅固、更具可持續(xù)性的混凝土。她和同事于7月3日在《美國礦物學(xué)家》雜志上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。

  現(xiàn)代混凝土使用的是一種水和波特蘭水泥（一種主要由石灰石和黏土制成的細(xì)粉）的混合物將小石塊粘在一起。但它在幾十年內(nèi)就會降解，尤其是在惡劣的海洋環(huán)境中。

  而與波特蘭水泥不同，羅馬混凝土使用了一種火山灰和石灰的混合物，從而將巖石碎塊結(jié)合在一起。公元1世紀(jì)的羅馬作家兼海軍將領(lǐng)老普林尼曾這樣描述水下混凝土的結(jié)構(gòu)——它變成了“一塊單個的石頭，海浪也無法將它摧毀，并且每天都更強(qiáng)大”。這激起了Jackson的興趣。“對我來說，問題是，這些材料是如何變成巖石的？”她說。

  研究人員報告說，古羅馬水泥成分包括火山灰和石灰石等，它們被放入木制模子中，再放入海里構(gòu)成建筑。

  在早期的研究工作中，Jackson及其同事報告了羅馬混凝土的一些不同尋常的化學(xué)成分，比如一種叫做鋁雪花鈣石的稀有礦物的存在。而在這項新研究中，科學(xué)家將從意大利波佐利港古羅馬時代遺留下來的水泥建筑中采集的混凝土樣本送到了加利福尼亞州勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗室。在這里，研究人員利用X射線同步加速器——“先進(jìn)光源”繪制出了樣品中的礦物質(zhì)位置。

  研究人員最終發(fā)現(xiàn)了一種叫做鈣十字沸石的硅酸鹽礦物，這種礦物在火山巖中很常見，而鋁雪花鈣石晶體正是伴隨其一起生長的。當(dāng)海水沖刷混凝土使其變得更加具有堿性后，鋁雪花鈣石似乎便從鈣十字沸石中長大了。

  “這在地球上是非常罕見的。”Jackson說。這種結(jié)晶只有在像冰島蘇特西火山這樣的地方才會出現(xiàn)。隨著鋁雪花鈣石的生長，它可能會增強(qiáng)混凝土的堅固性，因為其長片狀的晶體使得材料在受壓時能夠更加彎曲而不是粉碎。

  研究人員指出，關(guān)鍵是，古羅馬水泥在接觸海水后，海水會溶解火山灰中的一些成分，再在這些空隙中慢慢形成新的礦物，如含鋁雪花鈣石。這些礦物不僅強(qiáng)度高，還將原有建筑連成了更牢固的整體。因此，這樣的建筑可以在海浪的拍打中“每天都變得更強(qiáng)”。

  比利時根特大學(xué)材料工程師Nele De Belie說，現(xiàn)代的混凝土制造商可以向古羅馬人學(xué)習(xí)。她和同事使用煤燃燒過程中產(chǎn)生的粉煤灰等材料賦予混凝土“自我修復(fù)”的特性——在這些材料形成后，它們就會閉合裂縫。粉煤灰與羅馬人在混合物中使用的火山灰類似。

  Jackson一直致力于在實(shí)驗室中重現(xiàn)羅馬人的混凝土配方，她同時還是內(nèi)華達(dá)州一家水泥公司的顧問，該公司正在利用來自美國西部的火山灰研制這種混凝土結(jié)構(gòu)。

  Jackson說：“我并不是說這將成為日?；A(chǔ)設(shè)施中使用的混凝土。但是對于像海墻這樣的材料，我們可以用羅馬人的方式來研究石灰和火山灰材料的混合物?！彼f：“羅馬人可能已經(jīng)通過研究火山噴發(fā)的灰燼如何在持久的巖石中結(jié)晶獲得了自己的想法?！?

  研究人員說，現(xiàn)在可以在實(shí)驗室中合成含鋁雪花鈣石，但是要將這種礦物分散融入到現(xiàn)代水泥之中還很困難，而古羅馬水泥與海水的反應(yīng)要耗費(fèi)很多年時間，難以在實(shí)用中推廣。他們今后將進(jìn)一步探索如何模仿這種反應(yīng)機(jī)制，研發(fā)出性能更好的水泥。