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(jīng)歷了長達(dá)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(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，由美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究團(tuán)隊對其耐久性深入研究時，意外地發(fā)現(xiàn)，古羅馬人竟然在生產(chǎn)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(huán)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(xué)伯克利分校、沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)以及德國柏林同步輻射電子儲存環(huán)公司的研究人員，使用伯克利實(shí)驗室的先進(jìn)光源 (ALS) 光束以及其他實(shí)驗設(shè)施，在調(diào)研波佐利灣的海上混凝土中發(fā)現(xiàn)，古羅馬人制造混凝土?xí)r，不同于現(xiàn)代的做法主要表現(xiàn)在兩個關(guān)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(chǎn)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(wěn)定的黏合劑。

通過 ALS 光束線的光譜鑒定，研究人員認(rèn)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(wěn)定性的關(guān)鍵。

另一個突出之處涉及到混凝土的水化產(chǎn)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(jié)構(gòu)在現(xiàn)代常見的混凝土中無處可尋。

然而，雪硅鈣石卻出現(xiàn)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(shí)驗的光束線下，測量出其機(jī)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(jié)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(dāng)今主要建筑材料的混凝土，在生產(chǎn)過程中帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重。其主要組分水泥在生產(chǎn)過程中會排放大量二氧化碳。據(jù)計算，世界水泥工業(yè)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(yùn)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(xiàn)代生產(chǎn)的混凝土不好，它已經(jīng)好到我們每年使用 190 億噸的產(chǎn)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(yè)排放量的 7%。”加州大學(xué)伯克利分校土木與環(huán)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(xiàn)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(tuán)隊通過鑒別古羅馬的海上混凝土樣本發(fā)現(xiàn)，羅馬人生產(chǎn)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(chǎn)硅酸鹽水泥可以不到現(xiàn)在的 2/3 或更低的溫度。石灰與富鋁的火山灰反應(yīng)，形成高度穩(wěn)定的 C-A-S-H 和鋁雪硅鈣石，保證其強(qiáng)度和壽命。

提供綠色高性能模型

“在 20 世紀(jì)中葉，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計可持續(xù) 50 年，它們當(dāng)中的很多都超過了預(yù)定時間，當(dāng)代設(shè)計的建筑可保持壽命100 年至 120 年。然而，羅馬港口的設(shè)施竟然經(jīng)歷了 2000 多年的化學(xué)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(xiàn)代混凝土主要缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低、變形能力差、容易開裂。在未來的城市發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)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(yuǎn)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(jù)記載，最好的海上混凝土是源自那不勒斯海灣的火山地區(qū)。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(fā)現(xiàn)。

古羅馬人在制造其獨(dú)特的混凝土?xí)r，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?guī)r被塞進(jìn)木質(zhì)的格體中。放入海水中，瞬間引發(fā)了熱化學(xué)反應(yīng)。水合的石灰是將水分子并入其結(jié)構(gòu)中，與火山灰水泥混合在一起反應(yīng)。

蒙泰羅說：“對于我們而言，火山灰在其實(shí)際應(yīng)用中是重要的。制造更強(qiáng)大、更持久的現(xiàn)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(jīng)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(fā)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(huán)境造成的影響。建筑與環(huán)境相互融入更能體現(xiàn)建筑的美，也能讓人們賴以生存的環(huán)境更加舒適。無疑，該項研究的新發(fā)現(xiàn)給未來提供了一個混凝土強(qiáng)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(chǎn)綠色高性能的混凝土提供了有益的借鑒參考。