揭示古罗马建筑能屹立千年不变的原因。
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使用ALS束线12.3.2，一种超导弯曲磁体的X射线显微衍射束线，研究小组研究了罗曼火山灰-石灰砂浆的复制品，该复制品在康奈尔大学进行了断裂测试。在建于公元110年的图拉真市场的混凝土墙上，这些砂浆连接着鹅卵石大小的凝灰岩和砖块碎片。通过观察180天养护过程中砂浆的矿物学变化，并与1900年历史的原始样品进行对比，研究小组发现，一种透明的水合物会阻止微裂缝的传播。
“砂浆会穿过板状水合硅酸钙(str？Tlingite)在原位结晶以防止微裂缝，水合硅酸钙是一种持久的钙铝硅酸盐矿物，可以加强界面区和水泥基质，”加州大学伯克利分校土木与环境工程学院的火山学家玛丽·杰克逊说，他领导了这项研究。“板状晶体的密集和交互生长阻止了微裂纹的扩展，并确保了微观层面的内聚力，这将进一步促进混凝土在数千年的地震活跃环境中的化学弹性和结构完整性。”这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。其他研究合著者包括埃里克·兰迪斯、菲利普·布鲁恩、马西莫·维蒂、陈恒·陈菲利、马丁·昆兹、汉斯·鲁道夫·戴佳文、保罗·蒙泰罗和安东尼·英格拉菲亚。
砂浆结合混凝土复合材料被用来建造罗马帝国的主要建筑结构。科学家对它感兴趣不是因为它无与伦比的弹性和耐用性，而是因为它们可以提供的环境优势。大多数现代混凝土是由基于石灰石的波特兰水泥混合而成的。生产波特兰水泥，需要将石灰石和土壤的混合物加热到65，438+0，450摄氏度，这将释放出大量的碳。考虑到波特兰水泥每年的使用量约为1.9亿吨，将导致每年释放到大气中的碳总量的7%。
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相比之下，罗马建筑砂浆是由85%的火山灰、水和石灰混合而成，因此其煅烧温度远低于硅酸盐水泥。粗糙的火山灰和砖块约占混凝土的45%至55%。结果是碳排放大幅减少。“如果我们能够找到一种方法，在特定的混凝土生产过程中结合大量的火山岩成分，我们可能会大大减少与这种生产过程相关的碳排放，并提高它们的耐用性和机械阻力。”杰克逊说。
作为研究的一部分，杰克逊和她的合作者使用ALS光束线12.3.2来测量只有0.3毫米厚的罗马砂浆切片的X射线显微衍射。“我们已经获得了特定胶结微结构中许多不同点的衍射图案，”杰克逊说。“这使我们能够检测矿物集合体的变化，这将提供一个小区域内活跃化学过程的准确指示。”
Jackson和他的同事观察到的矿物学变化表明，随着钙-铝-硅水合物(C-A-S-H)的逐渐结合，水化的钙铝硅酸盐晶体在火山渣和砂浆基体的界面处生长，砂浆将在180天内逐渐获得强度和韧性。界面区域的韧性通过桥接裂纹的形态得到增强，这是由美国缅因大学的研究合著者Randy通过对断裂砂浆样品进行计算机断层扫描(CT扫描)测得的。这些实验结果与DuPont Science and Technology的合著者Brunet的增加断裂能的计算结果一致。水合铝硅酸钙晶体没有显示任何腐蚀现象，其光滑的表面表明长期稳定性，类似于持续数万年的地质水合铝硅酸钙。
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“水合硅酸钙晶体的原位结晶产生了一个界面区域，该区域不同于观察到的任何波特兰水泥混凝土界面的微观结构，”杰克逊说。“波特兰水泥混凝土界面区域的高孔隙率产生了一个裂缝通道易于产生和扩散的区域。”
杰克逊说，研究人员未来的挑战是“找到激活创新混凝土中聚合物的方法，如矿渣和火山灰，使它们能够像罗马建筑砂浆一样在界面区域形成增强的铝硅酸钙。”
康奈尔大学进行的断裂测试实验由研究合著者英·格拉夫菲领导。从罗马图拉真市场获得的砂浆样品由研究合著者Viti提供。研究合著者Kuenz是ALS光束线12.3.2的首席科学家。这项研究得到了美国国家科学基金会和哈佛大学罗布图书馆的支持。