罗马混凝土经久耐用的原因

2023年1月19日
来源:ASM Ibeplay体育官网地址nternational

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研究人员花了几十年时间试图找出罗马超级耐用的古代建筑材料的秘密，这种材料被用于著名的万神殿、引水渠和防波堤，它们承受了特别恶劣的环境条件。现在，来自麻省理工学院、哈佛大学以及意大利和瑞士实验室的一组研究人员在这一领域取得了进展，他们发现了古老的混凝土制造策略，其中包含了几种关键的自我修复功能。

多年来，研究人员一直认为，古代混凝土耐久性的关键是基于一种成分:火山灰材料，比如来自那不勒斯湾波佐利地区的火山灰。这种特殊的灰烬甚至被运往整个罗马帝国用于建筑，在当时的建筑师和历史学家的描述中，它被描述为混凝土的关键成分。

经过仔细检查，这些古老的样品还含有微小的、独特的、毫米级的亮白色矿物特征，这些特征长期以来一直被认为是罗马混凝土的普遍组成部分。这些白色的大块，通常被称为“石灰碎屑”，来自石灰，古代混凝土混合物的另一个关键成分。

通过使用MIT的Admir Masic教授的研究实验室开创的高分辨率多尺度成像和化学测绘技术，对这些石灰碎屑进行了进一步的表征，研究人员对这些石灰碎屑的潜在功能有了新的认识。

通过研究这种古老混凝土的样本，他和他的团队确定，这些白色夹杂物是由各种形式的碳酸钙组成的。光谱检查提供了线索，表明这些物质是在极端温度下形成的，正如人们所期望的那样，这些物质是在混合物中使用生石灰而不是熟石灰或与熟石灰一起产生的放热反应中形成的。研究小组现在得出结论，热混合实际上是这种材料超级耐用的关键。

在热混合过程中，石灰碎屑形成了一种典型的脆性纳米颗粒结构，形成了一种容易断裂的活性钙源，正如研究团队所提出的，这可以提供关键的自我修复功能。一旦混凝土内部开始形成微小的裂缝，它们就会优先穿过高表面积的石灰碎屑。然后，这种材料可以与水反应，产生饱和钙溶液，该溶液可以再结晶为碳酸钙并快速填充裂缝，或者与火山灰材料反应，进一步增强复合材料。这些反应是自发发生的，因此会在裂缝扩散之前自动愈合。之前对这一假设的支持是通过检查其他表现出方解石填充裂缝的罗马混凝土样本发现的。

为了证明这确实是导致罗马混凝土耐久性的机制，研究小组制作了混合了古代和现代配方的热拌混凝土样品，故意将其开裂，然后让水从裂缝中流过。果然，不到两周，裂缝就完全愈合了，水再也流不出去了。同样一块没有生石灰的混凝土永远不会愈合，水一直在样品中流动。由于这些成功的测试，该团队正在努力将这种改性水泥材料商业化。

通过延长功能寿命和开发更轻重量的混凝土形式，Masic希望这些努力可以帮助减少水泥生产对环境的影响，目前水泥生产占全球温室气体排放的8%左右。与其他新配方一起，比如可以从空气中吸收二氧化碳的混凝土，这是Masic实验室目前的另一个研究重点，这些改进可以帮助减少混凝土对全球的影响。

图像- - - - - -古代和现代石灰碎屑的成分和形态特征。(a)光学显微照片显示石灰碎屑明显的亮白色，可以通过SEM-EDS的大面积元素测绘轻松识别(b)科学的进步(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.add1602。

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麻省理工学院