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Neue Studien des alten Betons konnten uns unterrichten, als Romans Did zu tun

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Ein neuer Blick innerhalb des 2.000-jährigen Betons -- gemacht von der vulkanischen Asche, vom Kalk (das Produkt des gebackenen Kalksteins) und vom Meerwasser -- hat neue Anhaltspunkte zur entwickelnden Chemie und zu den Mineralzementen zur Verfügung gestellt, die alte Hafenstrukturen dem Test der Zeit widerstehen lassen. Die Forschung hat auch eine Jagd für das ursprüngliche Rezept angespornt, damit moderne konkrete Hersteller tun können, wie die Römer taten.

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Ein Forscherteam, das an der Abteilung von Lawrence Berkeley National Laboratory der Energie (Berkeley Lab) arbeitet benutzte Röntgenstrahlen, um Proben des römischen Betons - von den Standorten eines alten Piers und des Wellenbrechers - an den mikroskopischen Skalen zu studieren, um mehr über das Make-up ihrer Mineralzemente zu lernen.

Die frühere Arbeit des Teams an Berkeley Labs moderner Lichtquelle (ALS), ein RöntgenstrahlForschungszentrum, das als ein Synchroton bekannt ist, fand, dass Kristalle des aluminiumhaltigen Tobermorite, ein überlagertes Mineral, eine Schlüsselrolle spielten, wenn sie den Beton verstärkten, wie sie in den Relictkalkpartikeln wuchsen. Die neue Studie, veröffentlicht im amerikanischen Mineralogen, hilft Forschern, wie und wo zusammenzustellen dieses Mineral, das während der langen Geschichte der Betonkonstruktionen gebildet wird.

Die Arbeit könnte zu eine breitere Annahme von konkreten Produktionstechniken mit weniger Umweltbelastung als moderne PortlandzementHerstellungsverfahren schließlich führen, die Hochtemperaturbrennöfen erfordern. Diese sind ein bedeutender Mitwirkender zu den industriellen Kohlendioxydemissionen, die der Anhäufung von Treibhausgasen in der Atmosphäre der Erde hinzufügen.

Auch Forscher vorschlagen, dass ein neuformuliertes Rezept für römischen Beton auf Anwendungen wie Uferdämme und andere Ozeaneinfassungsstrukturen geprüft werden könnte, und sind möglicherweise für den Schutz von Sondermüll nützlich.

„Am ALS zeichnen wir die Mineralzementmikrostrukturen auf,“ sagte Marie Jackson, eine Geologie und Geophysikforschungsprofessor bei University of Utah, das die Studie führte. „Wir können die verschiedenen Mineralien und die faszinierend komplexen Reihenfolgen der Kristallisation an der Mikrometerskala identifizieren.“

Jackson sagte dass Kalk (alias Calciumoxid, oder CaO) - ausgesetzt Meerwasser in der römischen konkreten Mischung - vermutlich gänzlich reagiert mit vulkanischer Asche früh in der Geschichte der enormen Hafenstrukturen. Vorhergehende Studien zeigten wie der aluminiumhaltige Tobermorite, der in den Kalkresten während eines Zeitraums der erhöhten Temperatur kristallisiert wurde.

Die neuen Ergebnisse schlagen dass, nachdem der Kalk über diese pozzolanic chemischen Reaktionen verbraucht wurde (so genannt für die vulkanische Asche gefunden im Pozzuoli oder Neapel, Region von Italien), ein neuer Zeitraum des Mineralwachstums anfingen vor.

Das neue Wachstum des aluminiumhaltigen Tobermorite ist häufig mit Kristallen von phillipsite, ein anderes Mineral verbunden. Die Mineralien bilden feine Fasern und Platten, die den Beton elastischer und weniger anfällig im Laufe der Zeit zerbrechen lassen. Sie erklären möglicherweise eine alte Beobachtung durch den römischen Wissenschaftler Pliny, das der Älteste, der meinte, dass der Beton, „, sobald er in Kontakt mit den Wellen des Meeres kommt und versenkt wird, eine einzelne Steinmasse wird, unumstößlich die Wellen und jeden Tag, die stärker sind.“

Tatsächlich bauten die Römer auf die Reaktion einer Mischung des vulkanischen Felsens mit Meerwasser, um die neuen Mineralzemente zu produzieren. In den seltenen Fällen produzieren Unterwasservulkane, wie der Surtsey-Vulkan in Island, die gleichen Mineralien, die im römischen Beton gefunden werden.

„Gegenteil zu den Prinzipien des modernen Zement-ansässigen Betons,“ sagte Jackson, „die Römer stellten einen stein ähnlichen Beton her, der vorwärtskommt im offenen chemischen Austausch mit Meerwasser.“

Das alte römische Rezept ist sehr unterschiedlich, als das moderne für Beton, Jackson merkte. Der meiste moderne Beton ist eine Mischung des Portlandzements - Kalkstein, Sandstein, Asche, Kreide, Eisen und Lehm, unter anderen Bestandteilen, erhitzte, um ein glasiges Material zu bilden, das fein gemahlen ist - gemischt mit so genannten „Gesamtheiten.“ Diese sind Materialien wie Sand oder zerquetschter Stein, die nicht chemisch reagieren sollen. Wenn Reaktionen in diesen Gesamtheiten auftreten, können sie unerwünschte Expansionen im Beton verursachen.

Um die langfristigen chemischen Prozesse zu verstehen die in den römischen Strukturen auftraten, pflegten Forscher dünn, Polierscheiben des Betons mit einem Elektronenmikroskop in Deutschland um die Verteilung von Elementen in den Mineralmikrostrukturen aufzuzeichnen.

Sie verbanden diese Analysen mit einer Technik an Berkeley Labs ALS, der als Röntgenstrahl microdiffraction bekannt ist, und eine Technik bei Uc Berkeley, das als Raman-Spektroskopie bekannt ist, um mehr über die Struktur von Kristallen in den Proben zu lernen.

Nobumichi Tamura, ein ALS-Personalwissenschaftler, sagte, dass das Röntgenstrahl beamline, in dem die römischen konkreten Proben studiert wurden, die Strahlen, die zu ungefähr 1 Mikrometer fokussiert werden, oder 1 tausendster eines Zoll produzieren kann, „der ist nützlich für die Bestimmung jede Mineralspezies und das Diagramm ihrer Verteilung.“ Der Strahl ist fast hundertmal kleiner als, was in einem herkömmlichen Labor gefunden werden kann. Die Röntgenstrahltechnik misst ein durchschnittliches Signal von vielen kleinen Mineralkörnern und stellt hohe Auflösung und schnelle Datenerfassung zur Verfügung.

„Wir können in die kleinen natürlichen Labors im Beton, in der Karte die Mineralien, die, anwesend sind, in der Reihenfolge der Kristalle, die auftreten, und in ihren kristallographischen Eigenschaften einsteigen. Er hat, was wir in der Lage gewesen sind, zu finden,“ Jackson hinzufügte verblüfft. „Dieses ist ein Beton, der wächst anscheinend Mineralzemente des aluminiumhaltigen Tobermorite in Jahrtausenden.“ Die Studie schlägt, dass dieser Prozess für moderne Uferdammstrukturen nützlich sein könnte, sie sagte sowie für die Einhüllung von hochrangigen Abfällen in den Zement ähnlichen Sperren vor, die die umgebende Umwelt schützen.

Jackson arbeitet mit einem geologischen Ingenieur, um das komplexe Rezept der Römer für Beton wiederzuentdecken. Sie mischt Meerwasser von San Francisco Bay und vulkanischer Felsen von den West-Vereinigten Staaten, um die rechte Formel zu finden und führt auch ein wissenschaftliches bohrendes Projekt, um die Produktion von Tobermoritemineralmitteln am Surtsey-Vulkan in Island zu studieren.

Bereits erforschen eine wachsende Anzahl von konkreten Herstellern den Gebrauch des vulkanischen Felsens und weniger energie-intensive Prozesse, sagte Jackson, das für Industrie und die Umwelt ein mit Gewinn für beide Parteien sein könnte.

Die konkrete Industrie ist in den Vereinigten Staaten groß, wenn die Verkäufe im Jahre 2015 an ungefähr $50 bewertet sind Milliarde. Die Produktion der Nation des Portlandzements - die am allgemeinsten produzierte Zementart - belief sich auf ungefähr 80,4 Million Tonnen im Jahre 2015, entsprechend dem US-geologischen Studie oder ungefähr das Gewicht von ungefähr 90 Golden Gate-Brücken oder von 12 Hooverdämmen.

Damit römische konkrete Rezepte mehr Zugkraft, sagte Jackson, Teststrukturen sind erforderlich, die langfristigen Eigenschaften von den Marinestrukturen auszuwerten gewinnen, die mit vulkanischem Felsen und zum Beispiel errichtet werden zu messen, wie sie gegenüber die Eigenschaften des Stahl-verstärkten Betons abschneiden.

„Ich denke, dass Leute nicht wirklich an ein Material denken können, das nicht Stahlverstärkung hat,“ sie sagten.