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谜题已解:为什么罗马混凝土如此耐用?

2023年01月17日 福利盒子-国外译文ScienceDaily 暂无评论 阅读 18 views 次
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古罗马人是工程大师,建造了由道路、渡槽、港口和大型建筑物组成的庞大网络,其遗迹已经存在了两千年。 其中许多建筑都是用混凝土建造的:罗马著名的万神殿拥有世界上最大的无钢筋混凝土圆顶,于公元 128 年落成,至今仍完好无损,一些古罗马渡槽至今仍在为罗马供水。 与此同时,许多现代混凝土结构在几十年后就倒塌了。

 

 

研究人员花了数十年时间试图找出这种超耐用古代建筑材料的秘密,尤其是在承受特别恶劣条件的结构中,例如码头、下水道和海堤,或在地震活跃地区建造的结构。

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,发现了包含多种关键自我修复功能的古老混凝土制造策略。 研究结果发表在 《科学进展》杂志上。 麻省理工学院土木与环境工程教授 Admir Masic、前博士生 Linda Seymour 和其他四人的论文

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,例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广阔的罗马帝国各地用于建筑,并被当时的建筑师和历史学家描述为混凝土的关键成分。

经过仔细检查,这些古代样品还包含小而独特的毫米级亮白色矿物特征,长期以来,人们一直认为这些矿物是罗马混凝土中无处不在的成分。 这些白色块状物,通常被称为“石灰碎屑”,源自石灰,这是古代混凝土混合物的另一个重要成分。 “自从我第一次开始使用古罗马混凝土,我就一直对这些特性着迷,”马西奇说。 “这些在现代混凝土配方中是找不到的,那么为什么它们会出现在这些古老的材料中呢?”

此前,这项新研究仅被视为草率搅拌实践或劣质原材料的证据,但新研究表明,这些微小的石灰碎屑赋予了混凝土前所未有的自愈能力。 “将这些石灰碎屑的存在简单地归因于低质量控制的想法一直困扰着我,”马西奇说。 “如果罗马人付出如此多的努力来制造一种出色的建筑材料,并遵循经过多个世纪优化的所有详细配方,他们为什么要花这么少的精力来确保生产出混合良好的最终产品?这个故事必须有更多。

在对这些石灰碎屑进行进一步表征后,研究人员使用 Masic 研究实验室首创的高分辨率多尺度成像和化学绘图技术,对这些石灰碎屑的潜在功能有了新的认识。

从历史上看,人们一直认为,当石灰被掺入罗马混凝土时,它首先与水结合形成一种高反应性的糊状材料,这一过程被称为熟化。 但是这个过程本身并不能解释石灰碎屑的存在。 马西奇想知道:“罗马人是否有可能实际上直接使用了更具反应性的石灰,即生石灰?”

通过研究这种古老混凝土的样本,他和他的团队确定白色内含物确实是由各种形式的碳酸钙构成的。 光谱检测提供的线索表明,这些物质是在极端温度下形成的,正如使用生石灰代替混合物中的熟石灰或与熟石灰一起使用所产生的放热反应所预期的那样。 该团队现已得出结论,热混合实际上是超耐用特性的关键。

“热混合的好处是双重的,”马西奇说。 “首先,当整个混凝土被加热到高温时,如果只使用熟石灰就不可能产生化学反应,从而产生否则不会形成的高温相关化合物。其次,这种升高的温度会显着减少固化和凝固因为所有的反应都加速了,所以可以更快地建造。”

在热混合过程中,石灰碎屑会形成一种特有的脆性纳米颗粒结构,形成一种容易破碎和反应的钙源,正如该团队所建议的那样,它可以提供关键的自我修复功能。 一旦混凝土内开始形成微小裂缝,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,形成钙饱和溶液,该溶液可以重结晶为碳酸钙并迅速填充裂缝,或与火山灰材料反应以进一步强化复合材料。 这些反应是自发发生的,因此会在裂缝扩散之前自动修复裂缝。 先前对这一假设的支持是通过检查其他显示出方解石填充裂缝的罗马混凝土样品而得到的。

为了证明这确实是罗马混凝土耐久性的机制,该团队制作了结合了古代和现代配方的热拌混凝土样品,故意使它们开裂,然后让水从裂缝中流过。 果然:不到两周,裂缝就完全愈合了,水也不能再流了。 一块没有生石灰的相同混凝土从未愈合,水一直流过样品。 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。

“想想这些更耐用的混凝土配方不仅可以延长这些材料的使用寿命,还可以提高 3D 打印混凝土配方的耐用性,这令人兴奋,”Masic 说。

通过延长功能寿命和开发重量更轻的混凝土模板,他希望这些努力能够帮助减少水泥生产对环境的影响,目前水泥生产约占全球温室气体排放量的 8%。 连同其他新配方,例如实际上可以从空气中吸收二氧化碳的混凝土(Masic 实验室当前的另一个研究重点),这些改进可能有助于减少混凝土对全球气候的影响。

研究团队包括麻省理工学院的 Janille Maragh、意大利 DMAT 的 Paolo Sabatini、瑞士 Instituto Meccanica dei Materiali 的 Michel Di Tommaso 和哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所的 James Weaver。 这项工作是在意大利 Priverno 考古博物馆的协助下进行的。

 

材料 麻省理工学院 提供。 大卫·钱德勒 (David Chandler) 的原著。 注意:内容可能会根据样式和长度进行编辑。


期刊参考

  1. Linda M. Seymour、Janille Maragh、Paolo Sabatini、Michel Di Tommaso、James C. Weaver 和 Admir Masic。 热拌:古罗马混凝土耐久性的机理洞察 科学进展 ,2023 DOI: 10.1126/sciadv.add1602
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