為什么古羅馬混凝土，比現(xiàn)代混凝土更耐用？
時間：2023-01-16 來源：微信公眾號“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，在整個古羅馬帝國，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。這也使得長時間以來，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，一個國際研究團隊通過分析古羅馬建筑的混凝土樣本，揭示了這種超級耐久性的機制。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)家的一個研究目標(biāo)。這次，研究團隊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”，它們源自古羅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，人們早就知道古老的羅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，會先與水結(jié)合，在一個被稱為“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），是這種古老材料獨特的自愈合特性的原因。（圖/LINDA M. SEYMOUR et. al）研究團隊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實驗室發(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。由于這個過程會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致放熱反應(yīng)，從而創(chuàng)造了一個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耐用的關(guān)鍵。首先，當(dāng)整個混凝土被加熱到高溫時，它可以產(chǎn)生僅使用熟石灰時所不可能產(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，溫度的升高會顯著減少固化和凝固的時間，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)合材料的強度。這些反應(yīng)都是自發(fā)發(fā)生的，因此會在裂縫擴散之前自動愈合。為了證明這確實是導(dǎo)致羅馬混凝土耐久性的機制，研究團隊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，不到兩周時間，裂縫就完全愈合了，再也沒有水流動了。而一塊一樣的沒有生石灰的混凝土則永遠(yuǎn)不會愈合，水會一直在樣品中流動。現(xiàn)在，研究團隊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)對環(huán)境的影響。
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