揭秘古罗马建筑为何上千年屹立可保持不倒 揭秘古罗马建筑为何上千年屹立可保持不倒
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据《科学日报》报道，不去万神殿、图拉真市场、斗兽场或其他经受了近2000年时间考验的古罗马混凝土纪念碑的罗马之旅是不完整的。最近，一个国际性、跨学科的研究团队，利用美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室的先进光源X射线，发现了了解罗马混凝土建筑寿命和耐久性的关键。
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利用ALS束线12.3.2，超导体弯曲磁体的X射线显微衍射的束线，研究小组研究了罗马火山灰-石灰砂浆的复制品，该复制品在康奈尔大学进行了断裂试验。在建于公元110年的图拉真市场的混凝土墙上，这些砂浆连接着鹅卵石大小的凝灰岩和砖块碎片。通过观察砂浆在180天养护过程中的矿物学变化，并与1900年的原始样品进行比较，研究小组发现透明的水合物可以防止微裂纹的扩展。
领导这项研究的加州大学伯克利分校土木与环境工程学院的火山学家玛丽·杰克逊说:“砂浆将通过片状水合硅酸钙在其原始位置的结晶来防止微裂纹，硅酸钙是一种持久的钙铝硅酸盐矿物，可以加强界面区和水泥基体。”“板状晶体的密集相互作用生长防止了微裂纹的扩展，并确保了微观层面的凝聚力，这将进一步促进混凝土在数千年地震活动环境中的化学弹性和结构完整性。”这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。其他研究的合著者包括埃里克·兰蒂斯、菲利普·布鲁纳、马西莫·维蒂、、李·、马丁·库恩斯、汉斯-鲁道夫·温克、保罗·蒙特罗和安东尼·格拉芙。
砂浆和混凝土复合材料被用来建造罗马帝国的主要建筑结构。科学家对它感兴趣不是因为它无与伦比的弹性和耐用性，而是因为它的环境优势。大多数现代混凝土是由基于石灰石的波特兰水泥混合而成的。为了生产波特兰水泥，石灰石和土壤的混合物需要加热到1450℃。这个过程会释放大量的碳。考虑到每年约使用190亿吨硅酸盐水泥，硅酸盐水泥产生的碳量将占每年释放到大气中的总碳量的7%。
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相比之下，罗马建筑砂浆是由85%的火山灰、水和石灰混合而成，因此其煅烧温度比硅酸盐水泥低得多。粗火山灰和砖块约占混凝土的45%至55%。因此，碳排放大大减少。“如果我们能够找到一种方法，在特定的混凝土生产过程中结合大量的火山岩成分，我们可能会大大减少与这一生产过程相关的碳排放，并提高它们的耐用性和机械阻力。”杰克逊说。
作为研究的一部分，杰克逊和她的合作者使用ALS光束线12.3.2测量了厚度仅为0.3毫米的罗马迫击炮片的X射线显微衍射。“我们获得了特定胶结微观结构的许多不同点的衍射图，”杰克逊说。“这使我们能够探测到矿物集合体的变化，这将为小区域内活跃的化学过程提供准确的指示。”
杰克逊和他的同事观察到的矿物学变化表明，随着钙铝硅水合物的结合逐渐融合，水合铝硅酸钙晶体在火山渣和砂浆基体的界面区域生长，砂浆将在180天内逐渐获得强度和韧性。界面区韧性的提高表现在桥接裂纹的形态上，这是由美国缅因大学的研究合著者兰迪斯利用断裂砂浆样品的计算机断层扫描测量获得的。这些实验结果与杜邦科技有限公司的Brunet增加断裂能的计算结果一致，水合硅酸钙晶体没有表现出任何腐蚀现象，其光滑的表面隐含着长期的稳定性，类似于地质上持续几万年的水合硅酸钙。
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“水合硅酸钙晶体的原位结晶产生了一个界面区，该界面区不同于任何波特兰水泥混凝土界面的观察微结构，”杰克逊说。“波特兰水泥混凝土界面区的高孔隙率创造了一个容易产生和扩展裂缝通道的区域。”
杰克逊说，研究人员未来的挑战是“找到激活创新混凝土中聚合物的方法，如矿渣和火山灰，以便它们可以像罗马建筑砂浆一样在界面区域形成增强的水合硅酸钙。”
康奈尔大学进行的断裂试验由研究合著者英·格拉芙领导。从罗马图拉真市场获得的砂浆样品由研究合著者维蒂提供。合著者库恩斯是ALS束线12.3.2的首席科学家。这项研究得到了美国国家科学基金会和哈佛大学罗布图书馆的支持。
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