堅而不摧：古羅馬防波堤為綠色混凝土提供新思路

一段浸沒在地中海深處的古羅馬防波堤，經歷了長達2000 多年的海水侵蝕沖擊，依舊堅而不摧，究竟是什么讓其如此“厲害”？據物理學家組織網近日報道，由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室領導的一個國際研究團隊對其耐久性深入研究時，意外地發現，古羅馬人竟然在生產制造混凝土的過程中，就能夠削減二氧化碳的排放，減少對環境的破壞。那么，他們是如何做到的呢？

海上混凝土的秘密

來自美國加州大學伯克利分校、沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學以及德國柏林同步輻射電子儲存環公司的研究人員，使用伯克利實驗室的先進光源 (ALS) 光束以及其他實驗設施，在調研波佐利灣的海上混凝土中發現，古羅馬人制造混凝土時，不同于現代的做法主要表現在兩個關鍵方面。

其一，硅酸鹽水泥是一種可將混凝土組件綁定在一起的膠水。使用硅酸鹽水泥的混凝土是含有鈣、硅酸鹽和水合物的化合物 (C-S-H)。而古羅馬混凝土產生了一個非常不同的化合物，方法是加了鋁和少量硅。由此形成的鈣鋁硅酸鹽水合物 (C-A-S-H) 是一個非常穩定的黏合劑。

通過 ALS 光束線的光譜鑒定，研究人員認為在 C-A-S-H中鋁替代硅的特定方式可能是海水混凝土的凝聚力和穩定性的關鍵。

另一個突出之處涉及到混凝土的水化產物。從理論上講，在用硅酸鹽水泥制成的混凝土中，C-S-H 類似于天然存在的層狀礦物，被稱為雪硅鈣石和六水硅鈣石。可惜的是，這些理想的晶體結構在現代常見的混凝土中無處可尋。

然而，雪硅鈣石卻出現在古代海水混凝土的砂漿中。研究人員在 ALS 高壓 X 射線衍射實驗的光束線下，測量出其機械性能，并首次闡明鋁在其晶格中的作用：鋁雪硅鈣石比低結晶的 C-A-S-H 具有更大的剛性。

古羅馬人是如何做到的

作為當今主要建筑材料的混凝土，在生產過程中帶來的環境問題日益嚴重。其主要組分水泥在生產過程中會排放大量二氧化碳。據計算，世界水泥工業排放二氧化碳量占全球溫室氣體排放量的 7%，這還不包括水泥和混凝土在物流運輸過程中的二次污染。水泥和混凝土建材成為霧霾等大氣污染的主要元兇之一。

“這并不是說現代生產的混凝土不好，它已經好到我們每年使用 190 億噸的產量，問題是其中制造硅酸鹽水泥所排放的二氧化碳占該行業排放量的 7%。”加州大學伯克利分校土木與環境工程教授圣保羅·蒙泰羅說。

硅酸鹽水泥是“膠水”之源，可以將最現代化的混凝土黏合在一起，但是制造它需要將混合的石灰石和黏土加熱到1450℃，石灰石受熱后會向大氣中釋放出大量二氧化碳。

該研究團隊通過鑒別古羅馬的海上混凝土樣本發現，羅馬人生產硅酸鹽水泥時，用的石灰更少，烘烤石灰石只需900℃ 或更低，消耗的燃料也少得多。

分析表明，羅馬配方需要重量不到 10% 的石灰，生產硅酸鹽水泥可以不到現在的 2/3 或更低的溫度。石灰與富鋁的火山灰反應，形成高度穩定的 C-A-S-H 和鋁雪硅鈣石，保證其強度和壽命。

提供綠色高性能模型

“在 20 世紀中葉，混凝土結構設計可持續 50 年，它們當中的很多都超過了預定時間，當代設計的建筑可保持壽命100 年至 120 年。然而，羅馬港口的設施竟然經歷了 2000 多年的化學侵蝕和水下波浪仍幸存下來。”蒙泰羅指出。

作為工程材料的現代混凝土主要缺點是抗拉強度低、變形能力差、容易開裂。在未來的城市發展和基礎設施的構建中，迫切需要耐久且低碳的混凝土。

對火山灰使用的描述是從遠古時代開始。第一個是奧古斯都皇帝的一個工程師維特魯威。后來據記載，最好的海上混凝土是源自那不勒斯海灣的火山地區。這些灰具有相似的礦物特性，稱為火山灰水泥，在世界各地的許多地方都可以發現。

古羅馬人在制造其獨特的混凝土時，混合了大自然中的火山灰。他們將石灰和火山灰混合形成砂漿，而砂漿和火山凝灰巖被塞進木質的格體中。放入海水中，瞬間引發了熱化學反應。水合的石灰是將水分子并入其結構中，與火山灰水泥混合在一起反應。

蒙泰羅說：“對于我們而言，火山灰在其實際應用中是重要的。制造更強大、更持久的現代混凝土可以使用更少的燃料、更少釋放碳到大氣中，這就是更深入地了解羅馬人如何制造出無與倫比的混凝土所汲取的寶貴經驗。”

綠色高性能混凝土承載著人們的希望。同時也讓人們意識到，混凝土今后的發展歷程，不僅僅是滿足建筑功能的需求，很大程度上需要考慮對環境造成的影響。建筑與環境相互融入更能體現建筑的美，也能讓人們賴以生存的環境更加舒適。無疑，該項研究的新發現給未來提供了一個混凝土強度和韌性的模型。古羅馬采取的材料和使用的方式對未來生產綠色高性能的混凝土提供了有益的借鑒參考。