古罗马防波堤为绿色混凝土提供新思路

一段被淹没在地中海中的古罗马防波堤，经过2000多年的海水侵蚀，仍然坚固不可摧毁。是什么让它如此“严重”？根据物理学家组织网络最近的一份报告，由美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室领导的国际研究小组在对其耐久性进行深入研究时，意外地发现古罗马人能够在生产混凝土的过程中减少二氧化碳排放和环境破坏。他们是怎么做到的？

海洋混凝土的秘密

加州大学伯克利分校、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学和德国柏林同步辐射电子储存环公司的研究人员，利用伯克利实验室和其他实验设施的先进光源(ALS)光束，在对波佐利湾海洋混凝土的研究中发现，古罗马人制造混凝土在两个关键方面不同于现代做法。

首先，波特兰水泥是一种可以将混凝土成分粘合在一起的胶水。使用波特兰水泥的混凝土是一种含有钙、硅酸盐和水合物的化合物(C-S-氢)。古罗马混凝土通过添加铝和少量硅产生了一种非常不同的化合物。这样形成的铝硅酸钙水合物是一种非常稳定的粘合剂。

通过对ALS束线的光谱鉴定，研究人员认为碳-铝-硫-氢体系中铝取代硅的具体方式可能是海水混凝土粘结力和稳定性的关键。

另一个突出的问题是混凝土的水化产物。理论上，在波特兰水泥制成的混凝土中，C-S-H类似于一种天然层状矿物的混合物，称为托贝莫来石和六水石膏。不幸的是，这些理想的晶体结构在现代普通混凝土中是找不到的。

然而，硬硅钙石出现在古代海水混凝土的砂浆中。研究人员在高压X射线衍射实验的束线下测量了铝硅合金的力学性能，并首次解释了铝在其晶格中的作用:铝硬硅钙石比低结晶碳-铝-硫-氢更坚硬

古罗马人是如何做到的

混凝土仍然是今天的主要建筑材料，在生产过程中带来了日益严重的环境问题。其主要成分水泥在生产过程中会排放大量的二氧化碳。据计算，世界水泥工业排放的温室气体占全球的7%，不包括物流和运输过程中水泥和混凝土的二次污染。水泥和混凝土建筑材料已经成为烟雾等空气污染的主要元凶之一。

“这并不是说现代生产的混凝土不好。每年使用190亿吨的产量就足够了。问题是，波特兰水泥生产排放的二氧化碳占该行业排放量的7%。”加州大学伯克利分校的土木和环境工程教授圣保罗·蒙泰罗说。

波特兰水泥是“胶水”的来源，它能把最现代的混凝土粘合在一起，但是要制造它，混合的石灰石和粘土需要加热到1450℃，石灰石加热后会释放大量的二氧化碳到大气中。

研究小组鉴定了古罗马的海洋混凝土样本，发现罗马人用较少的石灰生产波特兰水泥，在900℃或更低的温度下烘烤石灰石，消耗更少的燃料。

分析表明，罗马公式要求的石灰重量少于10%，而波特兰水泥的产量可达到目前温度的2/3或更低。石灰与富含铝的火山灰反应，形成高度稳定的碳-铝-硫-氢和铝硬硅钙石，以确保其强度和使用寿命。

提供绿色高性能模型

“在20世纪中叶，混凝土结构的设计可以持续50年，其中许多超过了预定时间，而当代建筑设计可以持续100至120年。然而，罗马港的设施经受住了2000多年的化学侵蚀和水下海浪蒙泰罗指出。

现代混凝土作为工程材料的主要缺点是抗拉强度低、变形能力差、易开裂。在未来的城市发展和基础设施建设中，迫切需要耐久的低碳混凝土。

火山灰的用途自古以来就有描述。第一个是维特鲁威，奥古斯都皇帝的工程师。后来，据记载，海上最好的混凝土来自那不勒斯海湾的火山地区。这些灰烬具有类似的矿物特征，被称为火山灰水泥，在世界各地都能找到。

古罗马人在制作他们独特的混凝土时混合了自然界的火山灰。他们将石灰和火山灰混合形成砂浆，同时将砂浆和火山凝灰岩填充到木质格子中。当释放到海里时，它会立即引发热化学反应。熟石灰将水分子结合到其结构中，并与火山灰水泥反应。

蒙泰罗说:“对我们来说，火山灰在实际应用中非常重要。制造更坚固、更耐久的现代混凝土可以使用更少的燃料，向大气中释放更少的碳，这是从更深层次理解罗马人如何制造无与伦比的混凝土中获得的宝贵经验。”

绿色高性能混凝土承载着人们的希望。同时，它也使人们认识到，混凝土的未来发展不仅要满足建筑功能的需要，还要在很大程度上考虑对环境的影响。建筑与环境的相互融合能更好地体现建筑之美，使人们生活的环境更加舒适。毫无疑问，这项研究的新发现为未来混凝土的强度和韧性提供了一个模型。古罗马使用的材料和方法为未来绿色高性能混凝土的生产提供了有益的借鉴。

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