科学家破解古罗马水泥不倒之谜

罗马的码头和其他用古代水泥建造的港口建筑已经持续了几千年。资料来源:独立图片服务/alamy

据我们的报纸报道，古罗马人建造的混凝土海堤经受住了2000多年的海浪冲击。现在，一个国际研究小组发现了混凝土“寿命”的秘密——混凝土和海水之间的化学反应形成了一种稀有的矿物质，可以强化这种材料。

美国盐湖城犹他大学的地质学家玛丽·杰克逊领导了这项研究，她指出，结构工程师也许能够利用这些见解来制造更坚固、更可持续的混凝土。她和她的同事在7月3日的《美国矿物学家》杂志上报道了他们的发现。

现代混凝土使用水和波特兰水泥(一种主要由石灰石和粘土制成的细粉末)的混合物将小石块粘在一起。但是它会在几十年内退化，尤其是在恶劣的海洋环境中。

与波特兰水泥不同，罗马混凝土使用火山灰和石灰的混合物将岩石碎片粘合在一起。公元1世纪的罗马作家、海军上将普林尼(Pliny)曾将水下混凝土的结构描述为“一块石头，它不会被海浪摧毁，而且每天都更坚固”。这引起了杰克逊的兴趣。"对我来说，问题是，这些材料是如何变成岩石的？"她说。

研究人员报告说，古罗马的水泥由火山灰和石灰石组成，它们被放入木制模具中，然后放入海里形成建筑物。

在早期的研究工作中，杰克逊和他的同事报道了罗马混凝土的一些不寻常的化学成分，例如一种叫做铝雪花石膏的稀有矿物的存在。在这项新的研究中，科学家将从意大利波索利港罗马时代遗留下来的水泥建筑中收集的混凝土样本送到了加州的劳伦斯·伯克利国家实验室。在这里，研究人员使用X射线同步加速器——“高级光源”来绘制样品中矿物质的位置。

研究人员最终发现了一种叫做钙十字沸石的硅酸盐矿物，这种矿物在火山岩中很常见，铝雪花石膏晶体也是与它一起生长的。当海水冲刷混凝土使其变得更碱性时，铝雪花石膏似乎是从钙十字沸石中长大的。

“这在地球上非常罕见。”杰克逊说。这种结晶只能发生在像冰岛的苏西火山这样的地方。随着雪花石膏的生长，它可以增强混凝土的坚固性，因为它的长片状晶体使材料在压力下弯曲而不是压碎。

研究人员指出，关键的一点是，罗马水泥暴露在海水中后，海水会溶解火山灰中的一些成分，然后在这些空隙中慢慢形成新的矿物，如含铝的钙雪花石膏。这些矿物不仅具有高强度，而且将原来的建筑连成一个更坚固的整体。因此，这样的建筑可以在海浪的冲击下“每天变得更强”。

比利时根特大学的材料工程师内尔·德思说，现代混凝土制造商可以向古罗马人学习。她和她的同事利用煤燃烧时产生的粉煤灰等材料赋予混凝土“自我修复”的特性——这些材料形成后，它们会封闭裂缝。粉煤灰与罗马人在混合物中使用的火山灰相似。

杰克逊一直在实验室里努力重建罗马混凝土配方。她还是一家内华达水泥公司的顾问，该公司正在利用美国西部的火山灰开发混凝土结构。

杰克逊说:“我并不是说这将成为日常基础设施中使用的混凝土。但是对于像海堤这样的材料，我们可以用罗马的方式研究石灰和火山灰的混合物。”她说:“罗马人可能通过研究火山爆发的灰烬是如何在持久的岩石中结晶的，获得了他们自己的想法。”

研究人员说，现在有可能在实验室合成含铝的钙雪花石膏，但是将这种矿物分散到现代水泥中仍然很困难，古罗马水泥和海水之间的反应需要很多年，很难在实践中推广。他们将进一步探索如何模拟这种反应机理，并在未来开发性能更好的水泥。(赵茜·Xi)

《中国科学日报》(2017-07-05第二版国际版)