<p>古羅馬人是工程大師，他們建造了龐大的道路網絡、引水渠、港口和大型建筑，這些遺跡已經存在了兩千年。其中許多建筑都是用混凝土建造的:羅馬著名的萬神殿(Pantheon)擁有世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂，于公元128年落成，至今仍完好無損，一些古羅馬的引水渠至今仍在向羅馬供水。與此同時，許多現(xiàn)代混凝土結構在幾十年后就倒塌了。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員花了幾十年的時間試圖找出這種超級耐用的古代建筑材料的秘密，特別是在承受特別惡劣條件的結構中，如碼頭、下水道和海堤，或那些建造在地震活躍地區(qū)的結構。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，來自麻省理工學院、哈佛大學以及意大利和瑞士實驗室的一組研究人員在這一領域取得了進展，他們發(fā)現(xiàn)了古老的混凝土制造策略，其中包含了幾種關鍵的自我修復功能。研究結果發(fā)表在今天的《科學進展》雜志上，由麻省理工學院土木與環(huán)境工程教授Admir Masic，前博士生Linda Seymour ' 14，博士' 21和其他四人共同撰寫。</p> <p>&nbsp;</p> <p>多年來，研究人員一直認為，古代混凝土耐久性的關鍵是基于一種成分:火山灰材料，比如來自那不勒斯灣波佐利地區(qū)的火山灰。這種特殊的灰燼甚至被運往整個羅馬帝國用于建筑，在當時的建筑師和歷史學家的描述中，它被描述為混凝土的關鍵成分。</p> <p>&nbsp;</p> <p>經過仔細檢查，這些古老的樣品還含有微小的、獨特的、毫米級的亮白色礦物特征，這些特征長期以來一直被認為是羅馬混凝土的普遍組成部分。這些白色的大塊，通常被稱為&ldquo;石灰碎屑&rdquo;，來自石灰，古代混凝土混合物的另一個關鍵成分。&ldquo;自從我第一次開始使用古羅馬混凝土，我就一直被這些特征迷住了。&rdquo;馬西克說。&ldquo;在現(xiàn)代混凝土配方中沒有發(fā)現(xiàn)它們，那么為什么它們會出現(xiàn)在這些古老的材料中呢?&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>以前被忽視的僅僅是草率的攪拌實踐或劣質原材料的證據(jù)，新的研究表明，這些微小的石灰碎屑賦予了混凝土以前未被認識到的自我修復能力。馬西克說:&ldquo;這些石灰碎屑的存在僅僅是因為質量控制不佳，這種想法一直困擾著我。&rdquo;&ldquo;如果羅馬人在制造一種優(yōu)秀的建筑材料上投入了如此多的精力，遵循了經過許多世紀優(yōu)化的所有詳細配方，為什么他們在確保生產出混合良好的最終產品上投入的精力如此之少呢?&rdquo;這個故事肯定不止這些。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過使用Masic研究實驗室開創(chuàng)的高分辨率多尺度成像和化學制圖技術，對這些石灰碎屑進行進一步表征，研究人員對這些石灰碎屑的潛在功能有了新的認識。</p> <p>&nbsp;</p> <p>歷史上，人們一直認為，當石灰被加入羅馬混凝土中時，它首先與水結合，形成一種高活性的糊狀材料，這個過程被稱為熟化。但僅憑這一過程并不能解釋石灰碎屑的存在。Masic想知道:&ldquo;有沒有可能羅馬人實際上直接使用了更活躍的石灰形式，即生石灰?&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過研究這種古老混凝土的樣本，他和他的團隊確定，這些白色夾雜物確實是由各種形式的碳酸鈣組成的。光譜檢查提供了線索，表明這些物質是在極端溫度下形成的，正如人們所期望的那樣，這些物質是在混合物中使用生石灰而不是熟石灰或與熟石灰一起產生的放熱反應中形成的。研究小組現(xiàn)在得出結論，熱混合實際上是這種材料超級耐用的關鍵。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;熱混合的好處是雙重的。&rdquo;Masic說。&ldquo;首先，當整個混凝土被加熱到高溫時，它可以產生僅使用熟石灰時不可能產生的化學物質，從而產生不會形成的高溫相關化合物。其次，溫度的升高顯著減少了固化和凝固時間，因為所有的反應都加速了，可以更快地施工。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在熱混合過程中，石灰碎屑形成了一種典型的脆性納米顆粒結構，形成了一種容易斷裂的活性鈣源，正如研究團隊所提出的，這可以提供關鍵的自我修復功能。一旦混凝土內部開始形成微小的裂縫，它們就會優(yōu)先穿過高表面積的石灰碎屑。然后，這種材料可以與水反應，產生飽和鈣溶液，該溶液可以再結晶為碳酸鈣并快速填充裂縫，或者與火山灰材料反應，進一步增強復合材料。這些反應是自發(fā)發(fā)生的，因此會在裂縫擴散之前自動愈合。之前對這一假設的支持是通過檢查其他表現(xiàn)出方解石填充裂縫的羅馬混凝土樣本發(fā)現(xiàn)的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了證明這確實是導致羅馬混凝土耐久性的機制，研究小組制作了混合了古代和現(xiàn)代配方的熱拌混凝土樣品，故意將其開裂，然后讓水從裂縫中流過。果然，不到兩周，裂縫就完全愈合了，水再也流不出去了。同樣一塊沒有生石灰的混凝土永遠不會愈合，水一直在樣品中流動。由于這些成功的測試，該團隊正在努力將這種改性水泥材料商業(yè)化。</p> <p>Masic說:&ldquo;想到這些更耐用的混凝土配方不僅可以延長這些材料的使用壽命，而且還可以提高3d打印混凝土配方的耐久性，這是令人興奮的。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過延長功能壽命和開發(fā)更輕重量的混凝土形式，他希望這些努力可以幫助減少水泥生產對環(huán)境的影響，目前水泥生產占全球溫室氣體排放的8%左右。與其他新配方一起，比如可以從空氣中吸收二氧化碳的混凝土，這是Masic實驗室目前的另一個研究重點，這些改進可以幫助減少混凝土對全球氣候的影響。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究小組包括麻省理工學院的Janille Maragh，意大利DMAT的Paolo Sabatini，瑞士Meccanica dei Materiali研究所的Michel Di Tommaso，以及哈佛大學Wyss生物工程研究所的James Weaver。這項工作是在意大利普利維爾諾考古博物館的協(xié)助下進行的。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>