为什么罗马混凝土比以前更坚固，而现代混凝土却在衰落

大约2000年前，著名的罗马历史学家普林尼（Pliny the Elder）在他的《自然史》（Naturalis Historia）中写道，浇筑在港口中的混凝土``一旦与海浪接触并被淹没，就变成了一个单一的石头块，对于波浪，每一天都变得更强大。”

根据2017年的一项研究，这种洞察力令人惊讶地发现了，海水是通过促进稀有矿物质的生长使罗马混凝土极度耐用的秘密成分。

某些罗马码头的混凝土不仅今天仍然可行，而且比以往任何时候都坚固，而由波特兰水泥制成的现代海洋混凝土结构却在数十年内崩溃了。

古罗马人到处都使用混凝土，尤其是在万神殿和罗马的图拉真集市等巨型结构中。他们将通过首先将火山灰与石灰和海水混合制成砂浆来制造混凝土，然后将砂浆掺入火山岩块（“骨料”）中。这种结合产生了所谓的火山灰反应，以那不勒斯湾的波佐利市命名。用于制造混凝土的另一种常见的天然反应性火山砂称为harena fossicia。据认为，罗马人可能是在观察了称为凝灰岩的天然胶结火山灰沉积物之后首先想到了这种混合物的。

罗马帝国陷落后，用于混凝土的配方消失了，直到1824年英国人约瑟夫·阿斯普丁（Joseph Aspdin）通过在窑中细磨白垩和粘土来发现波特兰水泥后，才重新发明了具有同等价值的混凝土。除去二氧化碳。它被称为“波特兰”水泥，因为它类似于在英格兰波特兰发现的优质建筑石材。

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不过，古代罗马食谱与现代混凝土食谱大相径庭。大多数现代混凝土是波特兰水泥（石灰石，砂岩，灰烬，白垩，铁和粘土以及其他成分）的混合物，加热后形成玻璃状的材料，并进行精细研磨-称为“集料”。这些集料，通常是沙子或碎石，无意于发生化学反应，因为如果这样做，它们会导致混凝土产生不希望的膨胀。

犹他大学的地质学家玛丽·杰克逊（Marie Jackson）对罗马混凝土的兴趣是在罗马休假的一年引发的，她在那里研究凝灰岩和火山灰沉积物。她一个接一个地探讨了使罗马建筑混凝土具有如此韧性的因素。她说，这样的因素之一是骨料和砂浆之间的矿物共生阻止了裂缝的延长，而硅酸盐水泥中非反应性骨料的表面只会帮助裂缝进一步传播。

在研究罗马港口混凝土的钻孔芯时，杰克逊和他的同事在海砂浆中发现了一种极为稀有的矿物，铝质雪铁矿（Al-tobermorite）。矿物的存在令所有人感到惊讶，因为它很难制造。为了使铝硅钙石形成，需要非常高的温度。她说：“没有人在20摄氏度下产生水辉石。” “哦-除了罗马人！”

不过，看到Jackon是地质学家之后，她立即意识到该矿物一定以后才出现。该团队通过对实验的支持来得出结论，海水通过防波堤和码头中的混凝土渗透，溶解了火山灰的成分，并允许从高碱性浸出液中生长出新的矿物，特别是铝铁矿和铝矾土，后者是一种胶结基质中的浮石颗粒和孔隙中形成了相关的沸石矿物。在极少数情况下，诸如冰岛的Surtsey火山等水下火山会产生与罗马混凝土中相同的矿物。

她说：“我们正在寻找一种与人们所不希望的水泥基混凝土体系相反的体系。” “我们正在寻找一种可以与海水进行开放式化学交换的系统。”

在UC Berkeley Lab的ALS中使用X射线微衍射技术研究了罗马混凝土样品。该机器产生的光束聚焦到比传统实验室所能看到的小大约1微米或大约100倍。

“我们可以进入混凝土中的微小自然实验室，绘制出存在的矿物质，出现的晶体序列及其晶体学特征图。令人震惊的是我们能够找到的东西，”杰克逊说。

仅在美国，混凝土行业的价值在2015年就达到500亿美元。那年，制造了8000万吨的波特兰水泥，约重90座金门大桥或12座胡佛水坝。考虑到罗马混凝土的耐久性以及波特兰水泥生产所产生的大量二氧化碳排放，我们为什么不像罗马人那样做呢？

杰克逊说，这根本不那么容易。罗马人很幸运在附近找到了火山灰。此外，其具体配方的成分无法在世界任何地方使用。 “他们观察到火山灰会长出水泥来产生凝灰岩。我们在世界很多地方都没有这些岩石，因此必须进行替代。”杰克逊说。

此外，罗马混凝土需要花费时间才能从海水中获得强度，并且比典型的波特兰水泥具有更低的抗压强度。

尽管如此，杰克逊仍与同事紧密合作，根据美国西部的当地材料，包括加利福尼亚州伯克利的海水，制作替代配方。杰克逊（Jackson）还在领导一项科学钻探项目，以研究冰岛苏特西（Surtsey）火山中的辉钼矿和其他相关矿物的生产。

这种水泥对于某些特殊用途可能非常有用。例如，罗马水泥可以用于目前计划在英国斯旺西进行的潮汐泻湖工程中，该工程旨在​​利用潮汐能。为了回收建造它的费用，泻湖必须运行120年。

杰克逊说：“您可以想象，按照我们现在的建造方式，到那时，这将是大量腐蚀钢。”

同时，正在进行更多测试，以评估由火山岩建造的海洋结构的长期性能，以及这些结构如何对抗钢骨混凝土。

杰克逊说：“我认为人们真的不知道如何考虑没有钢筋的材料。”