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    古罗马海堤保存了两千年的秘密,有助于开发自修复的混凝土

    2017-08-10 10:20 来源: Nature自然科研 点击:0

    古罗马海堤保存了两千年的秘密,有助于开发自修复的混凝土

    古罗马人建造的混凝土防波堤经受住了两千多年海浪的拍打。如今,一支国际研究团队发现了古罗马混凝土“长寿”的秘密:混凝土和海水发生的化学反应形成一种稀有矿物,该矿物起到强化混凝土的作用。

    古罗马的防波堤和其他港口建筑由一种古老的混凝土混合物建造而成,它们已经存续了上千年。

    Independent Picture Service/Alamy

    该团队的领导者、美国犹他大学地质学家Marie Jackson表示,结构工程师或许可以用这些发现来创造更加坚固耐用的混凝土。她和同事将这些发现发表在了7月3日的《美国矿物学家》(American Mineralogist)上。


    现代混凝土采用的是水和硅酸盐水泥制的糊料,浇筑时里面还掺杂着一些小石块。硅酸盐水泥是一种细粉,主要成分是石灰岩和粘土。不过现代混凝土只要几十年就会被剥蚀,尤其是在环境严酷的海滨地区。古罗马混凝土并不使用硅酸盐水泥,而采用了一种火山灰和石灰的混合物来黏合碎石块。古罗马学者老普林尼(Pliny the Elder)是这样描述水下混凝土建筑的:它们会变成“一块完整的石料,其强度与日俱增,海浪也奈何不得。”这句话引起了Jackson 的兴趣,她说:“让我好奇的是,水泥是怎么变成一块石头的?”


    在早先的研究中,Jackson和同事发现了古罗马混凝土的一些非同寻常的化学性质,比如里面含有一种叫做铝硅钙石(aluminium tobermorite)稀有矿物。在这个新研究中,他们取了古罗马混凝土港口建筑的一些样本,然后用美国劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源(Advanced Light Source,X射线同步加速器)进行检测,并最终确定了样品中矿物的具体位置。


    这些研究者在样品中发现了一种叫做钙十字沸石的硅酸盐矿物,这在火山岩中很常见。铝硅钙石就是从这些钙十字沸石中长出来的。当混凝土受到海水冲刷时,钙十字沸石中似乎长出了硅钙石,使其变得更具碱性。Jackson 表示,“这个反应在地球上很罕见。”这种结晶过程只在冰岛的苏尔卑斯火山一类的地方发现过。当硅钙石生长时,它会让混凝土变得更坚固,因为它又长又扁的晶体在受压时会弯折而不会粉碎。

    古罗马混凝土内部矿物的电子显微镜扫描图像。

    Marie Jackson

    运用古老智慧

    比利时根特大学的材料工程师Nele De Belie表示,现代混凝土制造商可以向古罗马人学习。她和同事曾用飞灰(煤炭燃烧的产物之一)一类的材料为混凝土增加“自我修复”的性质,飞灰可以填补混凝土中形成的裂缝。飞灰类似于古罗马人在混凝土中使用的火山灰。


    Jackson一直在实验室里尝试还原古罗马混凝土的配方。她还是一家位于美国内华达州的混凝土公司的顾问,这家公司用美国西部的火山灰来造混凝土。


     “我并不是说这种混凝土将会被用在日常建筑中,” 她说,“但若是要建造防波堤等设备,我们可以像古罗马人那样将石灰和火山灰混合起来制成合适的材料。”Jackson认为,古罗马人可能是在研究火山喷发出的火山灰结晶形成坚硬的岩石之后获得了灵感。