古羅馬混凝土完爆現代材料:已防2000年海水侵蝕
2020-12-08 網易科技「對我們來說，這些古羅馬的防波堤不僅僅止水一個歷史謎團，」布龍教授最後表示。「它在現代建築設計中或許仍將佔有一席之地。」
出品|網易科學人欄目組
譯者|止水
兩千年前，羅馬的設計者們建起了宏偉的防波堤和海港橋墩。日前，科學家們通過研究發現，羅馬帝國雖然早已湮滅在歷史的洪流中，但這些巨大的混凝土建築物卻仍然屹立不倒，給那些現代工程師們也上了寶貴的一課。
比起蜚聲世界的羅馬鬥獸場，這些矗立在義大利海岸線上，已經半沉入水中的混凝土建築物或許很難會引起人們的注意，但這些在水下浸泡著的建築物的材料裡，卻蘊藏著奇蹟。這些由火山灰和生石灰混合組成的港工混凝土，經受住了兩千年的海水侵蝕，仍然屹立不倒。更令人驚嘆的是，它們的結構強度甚至比剛混合時的結構強度還要強。
在杜邦先鋒公司（DuPont Pioneer）長期研究著羅馬古蹟建築遺產的研究員菲利普·布倫（Philip Brune）表示：「這些羅馬防波堤和海港橋墩的材料裡蘊藏著非常大的科學可能性，作為一名工程師，我可以毫不誇張地講，這是人類有史以來使用過得最耐用的材料。」
但相較之下，現代的混泥土材料只可以承受數十年的海水腐蝕。
這些古羅馬的建築材料究竟為什麼會那麼耐用成了一個懸而未解的謎團。
美國猶他大學的古羅馬混凝土建築研究專家瑪麗·傑克遜（Marie Jackson）表示：「考古學家們那兒或許會有』配方』。」
公元一世紀的博物學家老普林尼曾寫為這些混凝土建築寫過一首頌歌：「當它們與海浪相遇，被海水淹沒，就會變成一整塊堅石，無懼浪潮。」
然而，這並不是「配方」的全部：我們既要知道如何混合配料，也要知道如何「烘焙蛋糕」。
最後，傑克遜和她的同事們主持開展了一項名為「羅馬港工混凝土的研究」（Roman Maritime Concrete Study），深入觀察了這些從古羅馬防洪堤和橋墩上取下的混凝土樣品的微觀結構。
「這些像巖石一樣的混凝土所表現出的性能就像處在海底環境中的火山沉積物，」傑克遜教授這樣說道。
現代混凝土在設計時剔除了對環境因素的考慮，而這些古羅馬混凝土在設計時卻容納進了對環境因素的考慮。
根據科學家們本周一在《美國礦物學家》雜誌（American mineralogist）上發表的一份研究顯示，這些古羅馬混凝土裡面充斥著許多微小的，仍在不斷生長當中的晶體。這些晶體像裝甲板一樣，或許可以讓這些混凝土材料不容易出現斷裂的情況。
科學家們還將這些古羅馬混凝土樣品送去進行了一連串先進成像儀器的測試，並進行了光譜分析。這些測試揭示出了一個非常少見的化學反應，他們發現鋁託勃莫來石晶體（aluminous tobermorite crystal）從另一種名為鈣十字沸石（phillipsite）的礦物質中長了出來。
參與了這項研究的布龍教授（Brune）將這一發現稱之為「重大成就」，並形象地將它比之為科學家們咬了一口混進了神秘食材的美味蛋糕，並發現烘焙師用的是有機黑巧克力。
在這些古羅馬混凝土「蛋糕」裡，最為關鍵的「食材」最後被證明是海水。傑克遜教授表示，當海水滲進這些古羅馬混凝土的微小縫隙中時，它同混凝土中的鈣十字沸石發生了化學反應，並生成了鋁託勃莫來石晶體。
「鋁託勃莫來石晶體很難生產，」傑克遜教授這樣說道，除此之外，要合成一小塊鋁託勃莫來石晶體還需要非常高的溫度。這些蘊藏在古羅馬混凝土建築物中的秘密或許可以幫助我們找到一種生產託勃莫來石的更好方法，這具有很高的工業應用前景。
古羅馬人從義大利的一處採礦場那兒，開採了一種特殊的火山灰。而傑克遜教授正試圖用舊金山的海水和存儲量更為豐富的火山巖石來重製這種耐用的混凝土材料。目前，在傑克遜教授的實驗室的烤箱和廣口瓶裡已經擺放著一些實驗樣品了，她將通過測試這些樣品，來尋找類似化學反應的證據。
如果人們對製造防波堤真得感興趣，真得想要保護海岸線環境的話，那麼傑克遜教授的實驗如果成功了的話，混凝土材料將在人類歷史當中，扮演起一個更為重要的角色。
在2014年開展的一項研究裡，一個由歐洲氣象科學家組成的科研團隊預測，如果未來90年的發展趨勢和過去30年一樣的話，那麼建築起用以抵禦海水的防波堤的成本將高漲至每年710億美元。另一方面，假若我們不去抵禦的話，那麼沿海洪災每年或將對我們造成數萬億美元的財產損失。
現代防波堤的設計裡混進了鋼筋。傑克遜教授表示，在未來，我們或將在海岸線上看到一排排「大煞風景」的，混進了鋼筋結構的「古羅馬防波堤」。古羅馬沒有使用過鋼筋，但他們的活性混凝土本身就已經足夠堅韌了。
「對我們來說，這些古羅馬的防波堤不僅僅止水一個歷史謎團，」布龍教授最後表示。「它在現代建築設計中或許仍將佔有一席之地。」
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鋼筋混凝土是現代建築當中最為常用的建築材料，人類在大海當中的建設，同樣採用這兩種材料。不過，大海的環境與陸地的環境有很大的不同。海水當中含有非常大的鹽分，這些鹽分能夠腐蝕人類的建築物。別說鋼筋混凝土，就算是萬噸巨輪的船底，同樣會受到海水的腐蝕。如此一來，被腐蝕的鋼筋混凝土很快便會失去作用，人類在海邊建造的海港或者是堤壩，都會面臨倒塌的危險。 -
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