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贵妇之墓揭示古罗马古混凝土新秘密

飞涨 / Cacilia Metella 墓是一座陵墓,位于罗马郊外,距离阿皮亚大街 3 英里。

在罗马众多著名的旅游景点中,阿皮亚大街 (Via Appia) 沿线有一座令人印象深刻的拥有 2000 年历史的陵墓,被称为 塞西莉亚·梅特拉的墓,贵族生活在公元一世纪。 拜伦勋爵是对圣殿惊叹不已的人之一,甚至在他的史诗中提到了它 儿童哈罗德的朝圣之旅 (1812-1818)。 科学家们现在分析了用于建造坟墓的古代混凝土样本,并在一份报告中描述了他们的发现。 发表论文 10 月在美国陶瓷学会杂志上发表。

“在 Via Appia Antica 上建造这座创新且非常强大的纪念碑和地标表明, [Caecilia Metella] 他受到高度尊重,” 合著者玛丽杰克逊说:, 地球物理学家 犹他大学. “2050 年后的混凝土质地反映了一种强大而有弹性的存在。”

好像今天 硅酸盐水泥 (现代混凝土的基本成分),旧 罗马混凝土 它基本上是半液体浆料和骨料的混合物。 波特兰水泥通常是通过在窑中加热石灰石和粘土(以及砂岩、灰烬、白垩和铁)制成的。 然后将生成的熟料研磨成细粉,只添加一点石膏 – 越高越好,以获得光滑、平坦的表面。 但是用于制造罗马混凝土的骨料是拳头大小的石头或砖块

在他的论文中 建筑学 (约公元 30 年),罗马建筑师和工程师 维特鲁威 他写了关于如何为可以持续很长时间而不会变成废墟的丧葬结构建造混凝土墙。 他建议墙壁至少有两英尺厚,由“方形红色石头或砖块或熔岩层层叠叠”制成。 砖块或火成岩的骨料必须用由熟石灰和多孔玻璃碎片和火山喷发(称为火山灰)晶体组成的泥浆粘合在一起。

Kosanos 码头,奥尔贝泰洛,意大利。  2017 年的一项研究发现,用于建造海堤的混凝土中形成的晶体有助于防止裂缝形成。
飞涨 / Kosanos 码头,奥尔贝泰洛,意大利。 2017 年的一项研究发现,用于建造海堤的混凝土中形成的晶体有助于防止裂缝形成。

杰克逊多年来一直在研究古罗马混凝土的不寻常特性。 比如她和很多同事 分析过 在构成它的混凝土中使用的砂浆 图拉真市场,建于公元 100 至 110 年之间(可能是世界上最古老的购物中心)。 他们对材料粘合相中使用的“胶水”特别感兴趣:硅酸钙铝水合物 (CASH),用 斯特林格特. 他们发现,层状晶体阻止了泥浆中微裂纹的形成和扩散,这会导致结构中出现更大的裂缝。

2017 年,杰克逊合着 意大利地中海沿岸海堤遗址的具体形态分析,两千多年来经受住了恶劣的海洋环境。 海水不断涌入墙壁,很久以前就会把现代混凝土墙变成废墟,但实际上罗马海堤似乎变得更坚固了。

杰克逊和她的同事发现,其长寿的秘诀在于一种特殊的配方,包括稀有晶体和多孔金属的混合物。 具体来说,暴露在海水中会引发混凝土内的化学反应,导致从火山灰中发现的常见矿物 phillipsite 形成铝硅钙镁石晶体。 晶体附着在岩石上,这再次阻止了会削弱结构的裂缝的形成和扩散。

因此,杰克逊自然对 Caecilia Metella 着迷,它被广泛认为是亚壁古道上保存最完好的古迹之一。 杰克逊于 2006 年 6 月参观了墓地,当时她采集了少量砂浆样本进行分析。 虽然她参拜的那天很暖和,但她记得,一进入神殿走廊,空气就格外寒冷潮湿。 “非常平静,除了鸽子在圆形结构的开放中心颤动,” 杰克逊说.

写在墓碑上
飞涨 / 墓碑上的一块牌匾上写着:“致 Quintus Criticus 的女儿 Caecilia Metella, [and wife] 克拉苏”。

卡罗尔·拉达托 / CC BY-SA 2.0.2

几乎没有人知道 Caecilia Metella 夫人的遗体,她的遗体被埋在坟墓里,除了她是罗马领事的女儿, Quintus Caecilius Metellus Creticus. 结婚了 马库斯·李锡尼乌斯·克拉苏, 的父亲 (同名) 是一部分 前三重奏, 和 凯撒大帝庞贝大帝. 可能是她的儿子——也叫 马库斯·李锡尼乌斯·克拉苏,为什么历史学家很容易追溯家族血统? – 谁下令建造神殿,神殿可能建于公元前 30 至 10 年之间。

Palazzo Farnese 的大理石石棺应该来自 Caecilia Metella 的坟墓,但它可能不是贵族,因为它可以追溯到公元 180 年到 190 年之间。 此外,火葬是这位女士去世时最常见的葬礼传统之一,因此历史学家认为新罗墓可能曾经包含一个骨灰盒,而不是某种石棺。

坟墓本身的结构是杰克逊和她的同事等学者最感兴趣的。 神社位于山顶。 方形平台上有一个圆柱形圆形大厅,后面连接着一座建于 14 世纪某个时候的城堡。 外面有一块牌匾,上面刻着“致卡西莉亚·梅特拉,昆图斯·克雷蒂库斯的女儿 [and wife] 克拉苏”。

熔岩覆盖在墓地下部结构的火山灰上。
飞涨 / 熔岩覆盖在墓地下部结构的火山灰上。

玛丽杰克逊

基础部分建立在它上面 凝灰岩 (在压力下压缩的火山灰)和大约 260,000 年前曾经覆盖该地区的古老流动的熔岩。 平台和圆形大厅都由几层厚混凝土组成,周围是石灰石块作为框架,而混凝土层则形成并固化。 塔的墙壁有 24 英尺厚。 最初顶部会有一个锥形土丘,但后来被中世纪的城墙所取代。

为了更仔细地观察砂浆的微观结构,杰克逊与麻省理工学院的同事 Linda Seymour 和 Admir Masek 以及劳伦斯伯克利实验室的 Nobumichi Tamura 合作。 田村分析了样品 先进光源,这有助于他们识别和指​​导样品中存在的许多不同矿物质。 ALS 光束线产生强大的微米级 X 射线,可以穿透样品的整个厚度,进入田村。 该团队还使用扫描电子显微镜对样品进行了成像。

他们发现坟墓灰浆与坟墓墙壁上使用的灰浆相似 图拉真市场: 来自 Pozzolane Rosse 的火山灰 熔岩流, 将大块砖块和熔岩连接在一起。 然而,墓泥中使用的火山灰含有大量的富钾白榴石。 几个世纪以来,雨水和地下水从墓壁渗出,溶解了白榴石并释放出钾。 这将是现代混凝土的灾难,导致微裂纹和严重的结构退化。

显然,这并没有发生在坟墓上。 但为什么? 杰克逊 和别的. 他确定砂浆中的钾依次溶解并有效地重建了 CASH 结合相。 一些部分即使在 2000 多年后仍然完好无损,而其他部分看起来更软,并显示出一些解理的迹象。 事实上,其结构与纳米晶体有些相似。

砂浆的扫描电子显微镜图像。
飞涨 / 砂浆的扫描电子显微镜图像。

玛丽杰克逊

“事实证明,Caecilia Metella 墓地古罗马混凝土中的夹层通过长期重建不断演变,” 面具说. “这些重建加强了界面区域,并可能有助于提高机械性能和旧材料的抗故障能力。”

科学家们对罗马混凝土中使用的矿物质和化合物的确切成分了解得越多,他们就越能在今天的混凝土中重现这些品质——例如找到合适的替代品(如粉煤灰)罗马人使用的稀有火成岩。 这可以将混凝土生产的能源排放减少多达 85%,并大大提高现代混凝土结构的使用寿命。

“专注于设计具有连续加固夹层的现代混凝土可能为我们提供另一种提高现代建筑材料耐用性的策略,” 面具说. “通过结合久经考验的‘罗马智慧’来做到这一点,提供了一种可持续的战略,可以将我们现代解决方案的连续性提高几个数量级。”

DOI:美国陶瓷学会杂志,2021 年。 10.1111 / 杰斯 .18133 (关于 DOI)。

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