坚而不摧：古罗马防波堤为绿色混凝土提供新思路

一段浸没在地中海深处的古罗马防波堤，经历了长达2000 多年的海水侵蚀冲击，依旧坚而不摧，究竟是什么让其如此“厉害”？据物理学家组织网近日报道，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团队对其耐久性深入研究时，意外地发现，古罗马人竟然在生产制造混凝土的过程中，就能够削减二氧化碳的排放，减少对环境的破坏。那么，他们是如何做到的呢？

海上混凝土的秘密

来自美国加州大学伯克利分校、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学以及德国柏林同步辐射电子储存环公司的研究人员，使用伯克利实验室的先进光源 (ALS) 光束以及其他实验设施，在调研波佐利湾的海上混凝土中发现，古罗马人制造混凝土时，不同于现代的做法主要表现在两个关键方面。

其一，硅酸盐水泥是一种可将混凝土组件绑定在一起的胶水。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)。而古罗马混凝土产生了一个非常不同的化合物，方法是加了铝和少量硅。由此形成的钙铝硅酸盐水合物 (C-A-S-H) 是一个非常稳定的黏合剂。

通过 ALS 光束线的光谱鉴定，研究人员认为在 C-A-S-H中铝替代硅的特定方式可能是海水混凝土的凝聚力和稳定性的关键。

另一个突出之处涉及到混凝土的水化产物。从理论上讲，在用硅酸盐水泥制成的混凝土中，C-S-H 类似于天然存在的层状矿物，被称为雪硅钙石和六水硅钙石。可惜的是，这些理想的晶体结构在现代常见的混凝土中无处可寻。

然而，雪硅钙石却出现在古代海水混凝土的砂浆中。研究人员在 ALS 高压 X 射线衍射实验的光束线下，测量出其机械性能，并首次阐明铝在其晶格中的作用：铝雪硅钙石比低结晶的 C-A-S-H 具有更大的刚性。

古罗马人是如何做到的

作为当今主要建筑材料的混凝土，在生产过程中带来的环境问题日益严重。其主要组分水泥在生产过程中会排放大量二氧化碳。据计算，世界水泥工业排放二氧化碳量占全球温室气体排放量的 7%，这还不包括水泥和混凝土在物流运输过程中的二次污染。水泥和混凝土建材成为雾霾等大气污染的主要元凶之一。

“这并不是说现代生产的混凝土不好，它已经好到我们每年使用 190 亿吨的产量，问题是其中制造硅酸盐水泥所排放的二氧化碳占该行业排放量的 7%。”加州大学伯克利分校土木与环境工程教授圣保罗·蒙泰罗说。

硅酸盐水泥是“胶水”之源，可以将最现代化的混凝土黏合在一起，但是制造它需要将混合的石灰石和黏土加热到1450℃，石灰石受热后会向大气中释放出大量二氧化碳。

该研究团队通过鉴别古罗马的海上混凝土样本发现，罗马人生产硅酸盐水泥时，用的石灰更少，烘烤石灰石只需900℃ 或更低，消耗的燃料也少得多。

分析表明，罗马配方需要重量不到 10% 的石灰，生产硅酸盐水泥可以不到现在的 2/3 或更低的温度。石灰与富铝的火山灰反应，形成高度稳定的 C-A-S-H 和铝雪硅钙石，保证其强度和寿命。

提供绿色高性能模型

“在 20 世纪中叶，混凝土结构设计可持续 50 年，它们当中的很多都超过了预定时间，当代设计的建筑可保持寿命100 年至 120 年。然而，罗马港口的设施竟然经历了 2000 多年的化学侵蚀和水下波浪仍幸存下来。”蒙泰罗指出。

作为工程材料的现代混凝土主要缺点是抗拉强度低、变形能力差、容易开裂。在未来的城市发展和基础设施的构建中，迫切需要耐久且低碳的混凝土。

对火山灰使用的描述是从远古时代开始。第一个是奥古斯都皇帝的一个工程师维特鲁威。后来据记载，最好的海上混凝土是源自那不勒斯海湾的火山地区。这些灰具有相似的矿物特性，称为火山灰水泥，在世界各地的许多地方都可以发现。

古罗马人在制造其独特的混凝土时，混合了大自然中的火山灰。他们将石灰和火山灰混合形成砂浆，而砂浆和火山凝灰岩被塞进木质的格体中。放入海水中，瞬间引发了热化学反应。水合的石灰是将水分子并入其结构中，与火山灰水泥混合在一起反应。

蒙泰罗说：“对于我们而言，火山灰在其实际应用中是重要的。制造更强大、更持久的现代混凝土可以使用更少的燃料、更少释放碳到大气中，这就是更深入地了解罗马人如何制造出无与伦比的混凝土所汲取的宝贵经验。”

绿色高性能混凝土承载着人们的希望。同时也让人们意识到，混凝土今后的发展历程，不仅仅是满足建筑功能的需求，很大程度上需要考虑对环境造成的影响。建筑与环境相互融入更能体现建筑的美，也能让人们赖以生存的环境更加舒适。无疑，该项研究的新发现给未来提供了一个混凝土强度和韧性的模型。古罗马采取的材料和使用的方式对未来生产绿色高性能的混凝土提供了有益的借鉴参考。