古罗马建筑为何上千年屹立不倒

利用ALS光束线12.3.2,一种超导体弯曲磁铁X射线微观衍射的光束线，研究小组调查了罗马火山灰-石灰砂浆的复制品，后者曾经在康奈尔大学接受了断裂测试实验。在始建于公元110年的图拉真市场的混凝土墙壁上，这些砂浆连接了鹅卵石大小的凝灰岩和砖块碎片。通过观察砂浆在180天的固化过程中发生的矿物学变化，并将其与1900年历史的原始样本进行对比，研究小组发现一种透明的水合物会阻止微裂隙的传播。

“砂浆会通过板状水化硅铝酸钙（strätlingite）在原位置的结晶来阻止微裂隙，水化硅铝酸钙是一种可以加强界面区和胶结基质的持久的钙-铝-硅酸盐矿物，”带领进行这项研究的美国加州大学伯克利分校土木和环境工程学院的火山学家玛丽·杰克逊（Marie Jackson）这样说道。“板状晶体的密集交互生长阻止了微裂隙的传播，同时保证了微观层面上的内聚力，这将进一步促进混凝土在地震活跃的环境里维持上千年的化学弹性和结构完整性。”这项研究被发表在期刊《美国国家科学院院刊》上，其它研究合作作者还包括艾瑞克·兰迪斯（Eric Landis）、菲利普·布鲁内（Philip Brune）、马西莫·维蒂（Massimo Vitti）、陈恒（Heng Chen）、李琴飞（Qnfei Li）、马丁·库恩茨（Martin Kunz）、汉斯-鲁道夫·温克（Hans-Rudolf Wenk）、保罗·蒙特罗（Paulo Monteiro）和安东尼·英格拉菲(Anthony Ingraffea)。

结合混凝土复合物的砂浆被用于建造罗马帝国的各大建筑结构，科学家们对它的浓厚兴趣并非因为它无人能及的弹性和持久性，而是因为它们能够提供的环境优势。大多数现代混凝土是与基于石灰岩的硅酸盐水泥相结合。生产硅酸盐水泥需要加热石灰岩与泥土的混合物制1450摄氏度，这一过程会释放大量碳，考虑到每年使用的硅酸盐水泥约为190亿吨，这将导致每年它产生的碳量组成了释放至大气层里全部碳的7%。

而相比之下，罗马建筑砂浆是由85%的火山灰以及水和石灰组成的混合物，因此它的煅烧温度要远低于硅酸盐水泥。粗糙的火山灰和砖块大约组成了混凝土的45%至55%。这一结果是导致碳排放的极大减少。“如果我们能够在特定混凝土生产过程中找到结合大量火山岩石组成物的方法，我们或可以极大的减少与这一生产过程相关的碳排放，同时提高它们的耐久性和机械阻力。”杰克逊说道。

作为研究的一部分，杰克逊和她的合作者利用ALS光束线12.3.2对只有0.3毫米厚的罗马砂浆切片进行X射线微观衍射测量。“我们获得了一个特定胶结微观结构很多不同点的衍射图样，”杰克逊说道。“这使得我们可以检测矿物聚集物的变化，后者将提供小区域内活跃的化学过程的精确指示。”

杰克逊和同事观察到的矿物学变化显示了随着钙-铝-硅水合物（C-A-S-H）的胶接逐渐合并，水化硅铝酸钙晶体在火山渣和砂浆基质之间的界面区生长，砂浆会在180天的时期内逐渐获得强度和韧性。界面区韧性的增强表现在桥连裂纹的形态学上，后者是由研究合作作者、美国缅因大学的兰迪斯利用对断裂的砂浆样本进行电子计算机断层扫描(即CT扫描)测量得到的。这些实验性结果与研究合作作者、杜邦科技公司的布鲁内对增加的断裂能量的计算结果相符合。水化硅铝酸钙晶体并未表现出任何腐蚀的现象，它平滑的表面暗示了长期的稳定性，类似于持续上万年的地质水化硅铝酸钙。

“水化硅铝酸钙晶体在原位置结晶产生了与观察到的任何硅酸盐水泥混凝土界面的微结构都不相同的界面区，”杰克逊说道。“硅酸盐水泥混凝土界面区较高的多孔性产生了裂缝通道容易产生和扩散的区域。”

杰克逊表示研究人员面临的未来挑战是“寻找激活创新混凝土里聚合物，例如矿渣和火山灰的方式，使得它们能够像罗马建筑砂浆一样在界面区形成加固的水化硅铝酸钙。”

康奈尔大学进行的断裂测试实验是由研究合作作者英格拉菲带领进行的。从罗马图拉真市场获取的砂浆样本是由研究合作作者维蒂提供的。研究合作作者库恩茨是ALS光束线12.3.2的首席科学家。这项研究得到了国家科学基金会和哈佛大学罗卜图书馆的资金支持。