结合混凝土复合物的砂浆被用于建造罗马帝国的各大建筑结构,科学家们对它的浓厚兴趣并非因为它无人能及的弹性和持久性,而是因为它们能够提供的环境优势。大多数现代混凝土是与基于石灰岩的硅酸盐水泥相结合。生产硅酸盐水泥需要加热石灰岩与泥土的混合物制1450摄氏度,这一过程会释放大量碳,考虑到每年使用的硅酸盐水泥约为190亿吨,这将导致每年它产生的碳量组成了释放至大气层里全部碳的7%。
而相比之下,罗马建筑砂浆是由85%的火山灰以及水和石灰组成的混合物,因此它的煅烧温度要远低于硅酸盐水泥。粗糙的火山灰和砖块大约组成了混凝土的45%至55%。这一结果是导致碳排放的极大减少。“如果我们能够在特定混凝土生产过程中找到结合大量火山岩石组成物的方法,我们或可以极大的减少与这一生产过程相关的碳排放,同时提高它们的耐久性和机械阻力。”杰克逊说道。
作为研究的一部分,杰克逊和她的合作者利用ALS光束线12.3.2对只有0.3毫米厚的罗马砂浆切片进行X射线微观衍射测量。“我们获得了一个特定胶结微观结构很多不同点的衍射图样,”杰克逊说道。“这使得我们可以检测矿物聚集物的变化,后者将提供小区域内活跃的化学过程的精确指示。”
杰克逊和同事观察到的矿物学变化显示了随着钙-铝-硅水合物(C-A-S-H)的胶接逐渐合并,水化硅铝酸钙晶体在火山渣和砂浆基质之间的界面区生长,砂浆会在180天的时期内逐渐获得强度和韧性。界面区韧性的增强表现在桥连裂纹的形态学上,后者是由研究合作作者、美国缅因大学的兰迪斯利用对断裂的砂浆样本进行电子计算机断层扫描(即CT扫描)测量得到的。这些实验性结果与研究合作作者、杜邦科技公司的布鲁内对增加的断裂能量的计算结果相符合。水化硅铝酸钙晶体并未表现出任何腐蚀的现象,它平滑的表面暗示了长期的稳定性,类似于持续上万年的地质水化硅铝酸钙。
“水化硅铝酸钙晶体在原位置结晶产生了与观察到的任何硅酸盐水泥混凝土界面的微结构都不相同的界面区,”杰克逊说道。“硅酸盐水泥混凝土界面区较高的多孔性产生了裂缝通道容易产生和扩散的区域。”