科學日報報道，沒有去過羅馬萬神殿、圖拉真市場、羅馬斗獸場或者其它經(jīng)歷了時間的考驗并矗立了近兩千年的古羅馬混凝土紀念碑的羅馬之旅是不完整的。近日一支國際和跨學科研究人員小組利用美國能源部(DOE)勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的先進光源(ALS)X射線發(fā)現(xiàn)了理解羅馬混凝土建筑的長壽和持久性的關(guān)鍵。

利用ALS光束線12.3.2，一種超導體彎曲磁鐵X射線微觀衍射的光束線，研究小組調(diào)查了羅馬火山灰-石灰砂漿的復制品，后者曾經(jīng)在康奈爾大學接受了斷裂測試實驗。在始建于公元110年的圖拉真市場的混凝土墻壁上，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)生的礦物學變化，并將其與1900年歷史的原始樣本進行對比，研究小組發(fā)現(xiàn)一種透明的水合物會阻止微裂隙的傳播。

“砂漿會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界面區(qū)和膠結(jié)基質(zhì)的持久的鈣-鋁-硅酸鹽礦物，”帶領進行這項研究的美國加州大學伯克利分校土木和環(huán)境工程學院的火山學家瑪麗·杰克遜(MarieJackson)這樣說道?！鞍鍫罹w的密集交互生長阻止了微裂隙的傳播，同時保證了微觀層面上的內(nèi)聚力，這將進一步促進混凝土在地震活躍的環(huán)境里維持上千年的化學彈性和結(jié)構(gòu)完整性。”這項研究被發(fā)表在期刊《美國國家科學院院刊》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)合混凝土復合物的砂漿被用于建造羅馬帝國的各大建筑結(jié)構(gòu)，科學家們對它的濃厚興趣并非因為它無人能及的彈性和持久性，而是因為它們能夠提供的環(huán)境優(yōu)勢。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)果是導致碳排放的極大減少?！叭绻覀兡軌蛟谔囟ɑ炷辽a(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，同時提高它們的耐久性和機械阻力?！苯芸诉d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對只有0.3毫米厚的羅馬砂漿切片進行X射線微觀衍射測量。“我們獲得了一個特定膠結(jié)微觀結(jié)構(gòu)很多不同點的衍射圖樣，”杰克遜說道。“這使得我們可以檢測礦物聚集物的變化，后者將提供小區(qū)域內(nèi)活躍的化學過程的精確指示。”

杰克遜和同事觀察到的礦物學變化顯示了隨著鈣-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，砂漿會在180天的時期內(nèi)逐漸獲得強度和韌性。

界面區(qū)韌性的增強表現(xiàn)在橋連裂紋的形態(tài)學上，后者是由研究合作作者、美國緬因大學的蘭迪斯利用對斷裂的砂漿樣本進行電子計算機斷層掃描(即CT掃描)測量得到的。這些實驗性結(jié)果與研究合作作者、杜邦科技公司的布魯內(nèi)對增加的斷裂能量的計算結(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?！肮杷猁}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)生和擴散的區(qū)域?！?/p>

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?！?/p>

康奈爾大學進行的斷裂測試實驗是由研究合作作者英格拉菲帶領進行的。從羅馬圖拉真市場獲取的砂漿樣本是由研究合作作者維蒂提供的。研究合作作者庫恩茨是ALS光束線12.3.2的首席科學家。這項研究得到了國家科學基金會和哈佛大學羅卜圖書館的資金支持。