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古羅馬海堤保存了兩千年的秘密，有助于開發(fā)自修復的混凝土

來源: Nature自然科研 2017-08-10 10:20:55

古羅馬人建造的混凝土防波堤經(jīng)受住了兩千多年海浪的拍打。如今，一支國際研究團隊發(fā)現(xiàn)了古羅馬混凝土“長壽”的秘密：混凝土和海水發(fā)生的化學反應形成一種稀有礦物，該礦物起到強化混凝土的作用。

古羅馬的防波堤和其他港口建筑由一種古老的混凝土混合物建造而成，它們已經(jīng)存續(xù)了上千年。

Independent Picture Service/Alamy

該團隊的領(lǐng)導者、美國猶他大學地質(zhì)學家Marie Jackson表示，結(jié)構(gòu)工程師或許可以用這些發(fā)現(xiàn)來創(chuàng)造更加堅固耐用的混凝土。她和同事將這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了7月3日的《美國礦物學家》（American Mineralogist）上。

現(xiàn)代混凝土采用的是水和硅酸鹽水泥制的糊料，澆筑時里面還摻雜著一些小石塊。硅酸鹽水泥是一種細粉，主要成分是石灰?guī)r和粘土。不過現(xiàn)代混凝土只要幾十年就會被剝蝕，尤其是在環(huán)境嚴酷的海濱地區(qū)。古羅馬混凝土并不使用硅酸鹽水泥，而采用了一種火山灰和石灰的混合物來黏合碎石塊。古羅馬學者老普林尼（Pliny the Elder）是這樣描述水下混凝土建筑的：它們會變成“一塊完整的石料，其強度與日俱增，海浪也奈何不得。”這句話引起了Jackson 的興趣，她說：“讓我好奇的是，水泥是怎么變成一塊石頭的？”

在早先的研究中，Jackson和同事發(fā)現(xiàn)了古羅馬混凝土的一些非同尋常的化學性質(zhì)，比如里面含有一種叫做鋁硅鈣石（aluminium tobermorite）稀有礦物。在這個新研究中，他們?nèi)×斯帕_馬混凝土港口建筑的一些樣本，然后用美國勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源（Advanced Light Source，X射線同步加速器）進行檢測，并最終確定了樣品中礦物的具體位置。

這些研究者在樣品中發(fā)現(xiàn)了一種叫做鈣十字沸石的硅酸鹽礦物，這在火山巖中很常見。鋁硅鈣石就是從這些鈣十字沸石中長出來的。當混凝土受到海水沖刷時，鈣十字沸石中似乎長出了硅鈣石，使其變得更具堿性。Jackson 表示，“這個反應在地球上很罕見。”這種結(jié)晶過程只在冰島的蘇爾卑斯火山一類的地方發(fā)現(xiàn)過。當硅鈣石生長時，它會讓混凝土變得更堅固，因為它又長又扁的晶體在受壓時會彎折而不會粉碎。

古羅馬混凝土內(nèi)部礦物的電子顯微鏡掃描圖像。

Marie Jackson

運用古老智慧

比利時根特大學的材料工程師Nele De Belie表示，現(xiàn)代混凝土制造商可以向古羅馬人學習。她和同事曾用飛灰（煤炭燃燒的產(chǎn)物之一）一類的材料為混凝土增加“自我修復”的性質(zhì)，飛灰可以填補混凝土中形成的裂縫。飛灰類似于古羅馬人在混凝土中使用的火山灰。

Jackson一直在實驗室里嘗試還原古羅馬混凝土的配方。她還是一家位于美國內(nèi)華達州的混凝土公司的顧問，這家公司用美國西部的火山灰來造混凝土。

“我并不是說這種混凝土將會被用在日常建筑中，” 她說，“但若是要建造防波堤等設(shè)備，我們可以像古羅馬人那樣將石灰和火山灰混合起來制成合適的材料。”Jackson認為，古羅馬人可能是在研究火山噴發(fā)出的火山灰結(jié)晶形成堅硬的巖石之后獲得了靈感。

古羅馬

復制鏈接

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