古羅馬建筑為何上千年屹立不倒
利用ALS光束線(xiàn)12.3.2,一種超導(dǎo)體彎曲磁鐵X射線(xiàn)微觀(guān)衍射的光束線(xiàn)，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(guò)觀(guān)察砂漿在180天的固化過(guò)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(guò)板狀水化硅鋁酸鈣（strätlingite）在原位置的結(jié)晶來(lái)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（Marie Jackson）這樣說(shuō)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(guān)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（Eric Landis）、菲利普·布魯內(nèi)（Philip Brune）、馬西莫·維蒂（Massimo Vitti）、陳恒（Heng Chen）、李琴飛（Qnfei Li）、馬丁·庫(kù)恩茨（Martin Kunz）、漢斯-魯?shù)婪?middot;溫克（Hans-Rudolf Wenk）、保羅·蒙特羅（Paulo Monteiro）和安東尼·英格拉菲(Anthony Ingraffea)。
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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)道。
作為研究的一部分，杰克遜和她的合作者利用ALS光束線(xiàn)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(xiàn)微觀(guān)衍射測(cè)量。“我們獲得了一個(gè)特定膠結(jié)微觀(guān)結(jié)構(gòu)很多不同點(diǎn)的衍射圖樣，”杰克遜說(shuō)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(guò)程的精確指示。”
杰克遜和同事觀(guān)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(lèi)似于持續(xù)上萬(wàn)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(guān)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(shuō)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(lái)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(xiàn)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(shū)館的資金支持。
