為什么古羅馬混凝土，比現(xiàn)代混凝土更耐用？
時(shí)間：2023-01-16 來源：微信公眾號(hào)“原理” 分享：
于公元128年在羅馬落成的萬神殿（Pantheon），是一座著名的建筑奇跡。它擁有世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂，至今仍完好無損。
于公元128年在羅馬落成的萬神殿（Pantheon），是一座著名的建筑奇跡。它擁有世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂，至今仍完好無損。
羅馬萬神殿，有著世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂。（圖/fl42 via Pixabay）其實(shí)，在整個(gè)古羅馬帝國，無論是像墻壁、地基等建筑元素，還是像渡槽、港口、道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施，都是用無鋼筋混凝土建造的。這些古老的混凝土結(jié)構(gòu)，歷經(jīng)了上千年風(fēng)霜的洗禮，仍然屹立不倒。這些古老遺跡的耐久性著實(shí)令人驚嘆。然而，相比之下，許多現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)可能才經(jīng)過幾十年就已經(jīng)傷痕累累。這也使得長(zhǎng)時(shí)間以來，研究人員一直希望能了解古羅馬的建筑材料為何這般耐用。現(xiàn)在，一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)通過分析古羅馬建筑的混凝土樣本，揭示了這種超級(jí)耐久性的機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，這些混凝土具有神奇的自愈功能。研究結(jié)果發(fā)表在了近期的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。混凝土是世界上最普遍的建筑材料，普通硅酸鹽水泥（OPC）是混凝土的關(guān)鍵組成部分。但OPC也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題：每生產(chǎn)1噸OPC，就會(huì)釋放出高達(dá)1噸的二氧化碳。因此，很多研究人員希望能夠找到提高混凝土的使用壽命的方法，以此來減少對(duì)環(huán)境的損害。有著優(yōu)異耐久性的古代混凝土，一直是科學(xué)家的一個(gè)研究目標(biāo)。這次，研究團(tuán)隊(duì)將目光鎖定在這些古老混凝土材料中的一些微小而顯眼的毫米級(jí)亮白色礦物上。這些白色的塊狀物通常被稱為“灰?guī)r屑”，它們?cè)醋怨帕_馬混凝土中的另一種關(guān)鍵材料——石灰?；?guī)r屑普遍存在于古羅馬的混凝土混合物中，但在現(xiàn)代混凝土中，人們并沒有發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。那么，這些微小的礦物為何單單出現(xiàn)在古老的材料中呢？其實(shí)，人們?cè)缇椭拦爬系牧_馬混凝土中存在這些微小礦物。只是在過去的研究中，科學(xué)家將它們的存在歸咎于施工時(shí)的質(zhì)量控制不佳，比如石灰在煅燒期間的不完全或過度燃燒，混凝土在制備前的碳化，凝固期的不完全溶解，以及砂漿的不充足攪拌等。對(duì)于這樣的說法，新研究的通訊作者Admir Masic一直覺得疑惑。他認(rèn)為，如果古羅馬人投入了這么多的精力和心血，建造出如此優(yōu)秀的建筑和設(shè)施，為什么偏偏會(huì)在最終生產(chǎn)混合好的混凝土?xí)r如此粗心大意？歷史上，人們一直假設(shè)當(dāng)石灰被加入羅馬混凝土中時(shí)，會(huì)先與水結(jié)合，在一個(gè)被稱為“熟化”的過程中，形成一種化學(xué)性質(zhì)高度活躍的糊狀材料。但僅憑這一過程，并不能解釋灰?guī)r屑的存在。Masic想，有沒有可能羅馬人使用了活性更強(qiáng)的生石灰（氧化鈣，CaO），甚至可能將生石灰與熟石灰（氫氧化鈣，Ca(OH)?）結(jié)合在一起使用？
從意大利Privernum考古遺址（左）收集的一塊2厘米長(zhǎng)的古羅馬混凝土碎片（右），不同顏色顯示了它的元素構(gòu)成，鈣（紅）、硅（藍(lán)）色、鋁（綠）。圖像下方清晰可見富含鈣的灰?guī)r屑（紅），是這種古老材料獨(dú)特的自愈合特性的原因。（圖/LINDA M. SEYMOUR et. al）研究團(tuán)隊(duì)從羅馬附近的普里維努姆城的一處墻壁上，提取了一份羅馬混凝土樣本。利用Masic實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的新的高分辨率多尺度成像和化學(xué)制圖技術(shù)，他們對(duì)古老混凝土樣本中的灰?guī)r屑進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)觀察。分析結(jié)果表明，這些白色的灰?guī)r屑含有各種不同形式的碳酸鈣，其中有些通常是需要在無水條件下才能產(chǎn)生的。此外，他們還發(fā)現(xiàn)這些灰?guī)r屑具有多孔性，且有裂縫，這意味著它們是在高溫、缺水的環(huán)境下形成的。這樣的結(jié)果為砂漿的制備方法提供了新的見解。它意味著古羅馬人在混合物中使用的是生石灰，或者將生石灰與熟石灰一起。這些生石灰在被添加到其他成分中之前，并沒有先與水混合，而是很可能先被添加到火山灰和粗骨料中。由于這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致放熱反應(yīng)，從而創(chuàng)造了一個(gè)可以讓有著高表面積的灰?guī)r屑停留在砂漿中的環(huán)境。這種方法被稱為熱混合。研究人員認(rèn)為，這種熱混合是這些古羅馬混凝土超級(jí)耐用的關(guān)鍵。首先，當(dāng)整個(gè)混凝土被加熱到高溫時(shí)，它可以產(chǎn)生僅使用熟石灰時(shí)所不可能產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)，從而產(chǎn)生在其他情況下無法形成的與高溫相關(guān)的化合物；其次，溫度的升高會(huì)顯著減少固化和凝固的時(shí)間，讓所有的反應(yīng)都加速，從而可以更快地施工。在熱混合過程中，灰?guī)r屑會(huì)形成一種脆性納米顆粒結(jié)構(gòu)，這是一種容易斷裂的活性鈣源。研究人員認(rèn)為，正是這些結(jié)構(gòu)，可以賦予混凝土一種強(qiáng)大的自愈功能。具體來說，一旦混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)微小的裂縫，這些裂縫會(huì)優(yōu)先穿過有著高表面積的灰?guī)r屑。接著，灰?guī)r屑可以與水反應(yīng)，產(chǎn)生飽和的鈣溶液，鈣溶液可以再結(jié)晶為碳酸鈣，并迅速填充進(jìn)裂縫中，又或者與火山灰材料反應(yīng)，進(jìn)一步增加復(fù)合材料的強(qiáng)度。這些反應(yīng)都是自發(fā)發(fā)生的，因此會(huì)在裂縫擴(kuò)散之前自動(dòng)愈合。為了證明這確實(shí)是導(dǎo)致羅馬混凝土耐久性的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)制作了混合了古代和現(xiàn)代配方的熱拌混凝土樣品，故意使其開裂，然后讓水從裂縫中流過。果然，不到兩周時(shí)間，裂縫就完全愈合了，再也沒有水流動(dòng)了。而一塊一樣的沒有生石灰的混凝土則永遠(yuǎn)不會(huì)愈合，水會(huì)一直在樣品中流動(dòng)。現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)正在努力將這樣的水泥材料商業(yè)化。這些更耐用的混凝土配方不僅可以延長(zhǎng)用這些材料建造的建筑和設(shè)施的壽命，而且還可以提高3D打印混凝土配方的耐久性。此外，通過延長(zhǎng)功能壽命和開發(fā)更輕重量的混凝土，研究人員希望可以幫助減少水泥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響。
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