古羅馬建筑為何上千年屹立不倒

利用ALS光束線12.3.2,一種超導體彎曲磁鐵X射線微觀衍射的光束線，研究小組調查了羅馬火山灰-石灰砂漿的復制品，后者曾經在康奈爾大學接受了斷裂測試實驗。在始建于公元110年的圖拉真市場的混凝土墻壁上，這些砂漿連接了鵝卵石大小的凝灰巖和磚塊碎片。通過觀察砂漿在180天的固化過程中發生的礦物學變化，并將其與1900年歷史的原始樣本進行對比，研究小組發現一種透明的水合物會阻止微裂隙的傳播。

“砂漿會通過板狀水化硅鋁酸鈣（strätlingite）在原位置的結晶來阻止微裂隙，水化硅鋁酸鈣是一種可以加強界面區和膠結基質的持久的鈣-鋁-硅酸鹽礦物，”帶領進行這項研究的美國加州大學伯克利分校土木和環境工程學院的火山學家瑪麗·杰克遜（Marie Jackson）這樣說道。“板狀晶體的密集交互生長阻止了微裂隙的傳播，同時保證了微觀層面上的內聚力，這將進一步促進混凝土在地震活躍的環境里維持上千年的化學彈性和結構完整性。”這項研究被發表在期刊《美國國家科學院院刊》上，其它研究合作作者還包括艾瑞克·蘭迪斯（Eric Landis）、菲利普·布魯內（Philip Brune）、馬西莫·維蒂（Massimo Vitti）、陳恒（Heng Chen）、李琴飛（Qnfei Li）、馬丁·庫恩茨（Martin Kunz）、漢斯-魯道夫·溫克（Hans-Rudolf Wenk）、保羅·蒙特羅（Paulo Monteiro）和安東尼·英格拉菲(Anthony Ingraffea)。

結合混凝土復合物的砂漿被用于建造羅馬帝國的各大建筑結構，科學家們對它的濃厚興趣并非因為它無人能及的彈性和持久性，而是因為它們能夠提供的環境優勢。大多數現代混凝土是與基于石灰巖的硅酸鹽水泥相結合。生產硅酸鹽水泥需要加熱石灰巖與泥土的混合物制1450攝氏度，這一過程會釋放大量碳，考慮到每年使用的硅酸鹽水泥約為190億噸，這將導致每年它產生的碳量組成了釋放至大氣層里全部碳的7%。

而相比之下，羅馬建筑砂漿是由85%的火山灰以及水和石灰組成的混合物，因此它的煅燒溫度要遠低于硅酸鹽水泥。粗糙的火山灰和磚塊大約組成了混凝土的45%至55%。這一結果是導致碳排放的極大減少。“如果我們能夠在特定混凝土生產過程中找到結合大量火山巖石組成物的方法，我們或可以極大的減少與這一生產過程相關的碳排放，同時提高它們的耐久性和機械阻力。”杰克遜說道。

作為研究的一部分，杰克遜和她的合作者利用ALS光束線12.3.2對只有0.3毫米厚的羅馬砂漿切片進行X射線微觀衍射測量。“我們獲得了一個特定膠結微觀結構很多不同點的衍射圖樣，”杰克遜說道。“這使得我們可以檢測礦物聚集物的變化，后者將提供小區域內活躍的化學過程的精確指示。”

杰克遜和同事觀察到的礦物學變化顯示了隨著鈣-鋁-硅水合物（C-A-S-H）的膠接逐漸合并，水化硅鋁酸鈣晶體在火山渣和砂漿基質之間的界面區生長，砂漿會在180天的時期內逐漸獲得強度和韌性。界面區韌性的增強表現在橋連裂紋的形態學上，后者是由研究合作作者、美國緬因大學的蘭迪斯利用對斷裂的砂漿樣本進行電子計算機斷層掃描(即CT掃描)測量得到的。這些實驗性結果與研究合作作者、杜邦科技公司的布魯內對增加的斷裂能量的計算結果相符合。水化硅鋁酸鈣晶體并未表現出任何腐蝕的現象，它平滑的表面暗示了長期的穩定性，類似于持續上萬年的地質水化硅鋁酸鈣。

“水化硅鋁酸鈣晶體在原位置結晶產生了與觀察到的任何硅酸鹽水泥混凝土界面的微結構都不相同的界面區，”杰克遜說道。“硅酸鹽水泥混凝土界面區較高的多孔性產生了裂縫通道容易產生和擴散的區域。”

杰克遜表示研究人員面臨的未來挑戰是“尋找激活創新混凝土里聚合物，例如礦渣和火山灰的方式，使得它們能夠像羅馬建筑砂漿一樣在界面區形成加固的水化硅鋁酸鈣。”

康奈爾大學進行的斷裂測試實驗是由研究合作作者英格拉菲帶領進行的。從羅馬圖拉真市場獲取的砂漿樣本是由研究合作作者維蒂提供的。研究合作作者庫恩茨是ALS光束線12.3.2的首席科學家。這項研究得到了國家科學基金會和哈佛大學羅卜圖書館的資金支持。