古羅馬建筑屹立上千年不倒之謎

科學(xué)日?qǐng)?bào)報(bào)道，沒有去過羅馬萬神殿、圖拉真市場(chǎng)、羅馬斗獸場(chǎng)或者其它經(jīng)歷了時(shí)間的考驗(yàn)并矗立了近兩千年的古羅馬混凝土紀(jì)念碑的羅馬之旅是不完整的。近日一支國(guó)際和跨學(xué)科研究人員小組利用美國(guó)能源部(DOE)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的先進(jìn)光源(ALS)X射線發(fā)現(xiàn)了理解羅馬混凝土建筑的長(zhǎng)壽和持久性的關(guān)鍵。

利用ALS光束線12.3.2，一種超導(dǎo)體彎曲磁鐵X射線微觀衍射的光束線，研究小組調(diào)查了羅馬火山灰-石灰砂漿的復(fù)制品，后者曾經(jīng)在康奈爾大學(xué)接受了斷裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在始建于公元110年的圖拉真市場(chǎng)的混凝土墻壁上，這些砂漿連接了鵝卵石大小的凝灰?guī)r和磚塊碎片。通過觀察砂漿在180天的固化過程中發(fā)生的礦物學(xué)變化，并將其與1900年歷史的原始樣本進(jìn)行對(duì)比，研究小組發(fā)現(xiàn)一種透明的水合物會(huì)阻止微裂隙的傳播。

“砂漿會(huì)通過板狀水化硅鋁酸鈣(str？tlingite)在原位置的結(jié)晶來阻止微裂隙，水化硅鋁酸鈣是一種可以加強(qiáng)界面區(qū)和膠結(jié)基質(zhì)的持久的鈣-鋁-硅酸鹽礦物，”帶領(lǐng)進(jìn)行這項(xiàng)研究的美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校土木和環(huán)境工程學(xué)院的火山學(xué)家瑪麗·杰克遜(MarieJackson)這樣說道。“板狀晶體的密集交互生長(zhǎng)阻止了微裂隙的傳播，同時(shí)保證了微觀層面上的內(nèi)聚力，這將進(jìn)一步促進(jìn)混凝土在地震活躍的環(huán)境里維持上千年的化學(xué)彈性和結(jié)構(gòu)完整性。”這項(xiàng)研究被發(fā)表在期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上，其它研究合作作者還包括艾瑞克·蘭迪斯(EricLandis)、菲利普·布魯內(nèi)(philipBrune)、馬西莫·維蒂(MassimoVitti)、陳恒(HengChen)、李琴飛(QnfeiLi)、馬丁·庫(kù)恩茨(MartinKunz)、漢斯-魯?shù)婪颉乜?Hans-RudolfWenk)、保羅·蒙特羅(pauloMonteiro)和安東尼·英格拉菲(AnthonyIngraffea)。

結(jié)合混凝土復(fù)合物的砂漿被用于建造羅馬帝國(guó)的各大建筑結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們對(duì)它的濃厚興趣并非因?yàn)樗鼰o人能及的彈性和持久性，而是因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┑沫h(huán)境優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)現(xiàn)代混凝土是與基于石灰?guī)r的硅酸鹽水泥相結(jié)合。生產(chǎn)硅酸鹽水泥需要加熱石灰?guī)r與泥土的混合物制1450攝氏度，這一過程會(huì)釋放大量碳，考慮到每年使用的硅酸鹽水泥約為190億噸，這將導(dǎo)致每年它產(chǎn)生的碳量組成了釋放至大氣層里全部碳的7%。

而相比之下，羅馬建筑砂漿是由85%的火山灰以及水和石灰組成的混合物，因此它的煅燒溫度要遠(yuǎn)低于硅酸鹽水泥。粗糙的火山灰和磚塊大約組成了混凝土的45%至55%。這一結(jié)果是導(dǎo)致碳排放的極大減少。“如果我們能夠在特定混凝土生產(chǎn)過程中找到結(jié)合大量火山巖石組成物的方法，我們或可以極大的減少與這一生產(chǎn)過程相關(guān)的碳排放，同時(shí)提高它們的耐久性和機(jī)械阻力。”杰克遜說道。

作為研究的一部分，杰克遜和她的合作者利用ALS光束線12.3.2對(duì)只有0.3毫米厚的羅馬砂漿切片進(jìn)行X射線微觀衍射測(cè)量。“我們獲得了一個(gè)特定膠結(jié)微觀結(jié)構(gòu)很多不同點(diǎn)的衍射圖樣，”杰克遜說道。“這使得我們可以檢測(cè)礦物聚集物的變化，后者將提供小區(qū)域內(nèi)活躍的化學(xué)過程的精確指示。”

杰克遜和同事觀察到的礦物學(xué)變化顯示了隨著鈣-鋁-硅水合物(C-A-S-H)的膠接逐漸合并，水化硅鋁酸鈣晶體在火山渣和砂漿基質(zhì)之間的界面區(qū)生長(zhǎng)，砂漿會(huì)在180天的時(shí)期內(nèi)逐漸獲得強(qiáng)度和韌性。

界面區(qū)韌性的增強(qiáng)表現(xiàn)在橋連裂紋的形態(tài)學(xué)上，后者是由研究合作作者、美國(guó)緬因大學(xué)的蘭迪斯利用對(duì)斷裂的砂漿樣本進(jìn)行電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(即CT掃描)測(cè)量得到的。這些實(shí)驗(yàn)性結(jié)果與研究合作作者、杜邦科技公司的布魯內(nèi)對(duì)增加的斷裂能量的計(jì)算結(jié)果相符合。水化硅鋁酸鈣晶體并未表現(xiàn)出任何腐蝕的現(xiàn)象，它平滑的表面暗示了長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，類似于持續(xù)上萬年的地質(zhì)水化硅鋁酸鈣。

“水化硅鋁酸鈣晶體在原位置結(jié)晶產(chǎn)生了與觀察到的任何硅酸鹽水泥混凝土界面的微結(jié)構(gòu)都不相同的界面區(qū)，”杰克遜說道。“硅酸鹽水泥混凝土界面區(qū)較高的多孔性產(chǎn)生了裂縫通道容易產(chǎn)生和擴(kuò)散的區(qū)域。”

杰克遜表示研究人員面臨的未來挑戰(zhàn)是“尋找激活創(chuàng)新混凝土里聚合物，例如礦渣和火山灰的方式，使得它們能夠像羅馬建筑砂漿一樣在界面區(qū)形成加固的水化硅鋁酸鈣。”

康奈爾大學(xué)進(jìn)行的斷裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)是由研究合作作者英格拉菲帶領(lǐng)進(jìn)行的。從羅馬圖拉真市場(chǎng)獲取的砂漿樣本是由研究合作作者維蒂提供的。研究合作作者庫(kù)恩茨是ALS光束線12.3.2的首席科學(xué)家。這項(xiàng)研究得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和哈佛大學(xué)羅卜圖書館的資金支持。