古罗马防波堤为绿色混凝土提供新思路
时间:2017-12-07

  古罗马防波堤为绿色混凝土提供新思路 - 新闻 - 科学网

  沉浸在地中海深处的古罗马防波堤已经经历了2000多年的海水侵蚀,依然立于不败之地。是什么让它如此强大?根据生理学家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一个国际研究小组对其耐久性进行了深入的研究,并且意外地发现,古罗马人能够在这个过程中制造混凝土,减少二氧化碳排放量,减少对环境的破坏,那他们怎么做呢?

  海混凝土的秘密

  加利福尼亚大学伯克利分校,沙特阿拉伯国王阿卜杜拉大学和德国柏林的同步辐射储存环公司的研究人员使用伯克利实验室的“先进光源(ALS)光束和其他实验设施来研究波佐利湾在海上具体体现了古罗马人制造混凝土时,他们与现代人不同,主要表现在两个方面:

  首先,波特兰水泥是将混凝土组分粘合在一起的胶水。使用硅酸盐水泥的混凝土是含有钙,硅酸盐和水合物的化合物(C-S-H)。罗马混凝土产生了一个非常不同的化合物,方法是添加铝和少量的硅。这样形成的硅铝酸钙水合物(C-A-S-H)是非常稳定的粘合剂。

  通过ALS光束线的光谱识别,研究人员认为C-A-S-H中铝的特定替代物可能是海洋混凝土凝聚力和稳定性的关键。

  另一个亮点涉及混凝土水化产品。从理论上讲,C-S-H类似于波特兰水泥(称为托贝莫来石和六水合物)制成的土壤中天然存在的层状矿物的组合。不幸的是,这些理想的晶体结构在现代普通混凝土中被发现

  然而,托贝莫来石出现在古代海水混凝土的砂浆中。研究人员在ALS高压下进行了X射线衍射实验,以测量其束线力学性能,并首次阐明铝在其晶格中的作用:铝镍硅比低结晶C-A-S-H具有更高的刚性。

  古罗马人如何做到这一点

  今天仍是主要建材的具体情况,生产过程带来的环境问题日益严峻。生产过程中水泥的主要成分会排放大量的二氧化碳。据估算,世界上水泥行业的二氧化碳排放量占全球温室气体排放量的7%,不包括物流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成为一体霾等空气污染的主要罪魁祸首。

  这并不是说现代混凝土生产不好,我们每年使用190亿吨已经是好事了。问题是制造硅酸盐水泥的二氧化碳排放量占工业排放量的7%。加州大学伯克利分校的民用与环境工程教授圣保罗·蒙特罗说。

  硅酸盐水泥是粘合最现代的混凝土的胶水源,但是当它被制造时,它将混合的石灰石和粘土加热到1450℃。石灰石热量将大量二氧化碳释放到大气中。

  通过古罗马海上混凝土样本的鉴定,该小组发现,罗马人使用的硅酸盐水泥较少,出炉的石灰石只有900摄氏度或更低,所消耗的燃料少得多。

  分析表明,罗马食谱需要少于10重量%的石灰,波特兰水泥可以制造成低于当前温度的2/3或更少。石灰与富含铝的火山灰反应形成高度稳定的C-A-S-H和钠长石,确保其强度和寿命。

  提供绿色高性能模型

  到20世纪中叶,混凝土结构设计可以维持50年,其中许多超过预定时间,现代设计的建筑可以持续100到120年。然而,罗马港口的设施经历了两千多年的化学侵蚀和水下波浪。蒙特罗指出。

  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。城市发展和基础设施未来迫切需要紧急和低碳混凝土。

  火山灰使用的描述是从古代开始的。首先是奥古斯都皇帝的工程师维特鲁威。后来有人记录,最好的海洋混凝土是从那不勒斯海湾的火山地区产生的。这些灰烬具有类似的矿物性质,被称为火山灰,并在世界的许多地方发现。

  古罗马人在混凝土制造中混合了大自然中的火山灰。他们把石灰和火山灰混合成砂浆,把砂浆和火山凝灰岩塞进木制立方体中。进入海水,瞬间引发了热化学反应。消石灰将水分子结合到其结构中并与火山灰水泥混合。

  蒙泰罗说:对我们来说,火山灰在实际应用中是重要的。做得更强,更持久的现代混凝土使用更少的燃料,并释放出更少的碳进入大气,这是罗马人如何做出无与伦比的混凝土宝贵的见解。

  绿色高性能混凝土带来了人们的希望,同时也使人们认识到,未来的具体发展过程,不仅要满足建筑功能的需要,在很大程度上需要考虑影响建筑与环境的融合更能体现建筑之美,使居住环境更加舒适。毫无疑问,这项研究的新发现为未来提供了具体的实力和韧性的模型。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参考。