ALS光束线12.3.2.研究小组调查了罗马火山灰石灰砂浆的复制品，这是一种超导体弯曲磁铁X射线微衍射的光束线，后者在康奈尔大学接受了断裂试验。这些砂浆连接了鹅卵石大小的凝灰岩和砖块碎片，建于公元110年的图拉真市场的混凝土墙上。研究小组通过观察砂浆在180天固化过程中的矿物变化，并将其与1900年历史的原始样本进行比较，发现透明水合物可以防止微裂缝的传播。
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“砂浆将通过板水化硅铝酸钙(str?tlingite)水化硅铝酸钙是一种持久的钙-铝-硅酸盐矿物，可以加强界面区域和胶结基质。”火山学家玛丽·杰克逊，带领加州大学伯克利分校土木工程和环境工程学院的火山学家(Marie
Jackson)这样说。“板状晶体的密集交互生长防止了微裂纹的传播，并确保了微观层面的内聚力，这将进一步促进混凝土在活跃的地震环境中保持数千年的化学弹性和结构完整性。”该研究发表在期刊《美国国家科学院院刊》上，其他研究合作伙伴包括艾瑞克·兰迪斯(Eric
Landis)、菲利普·布鲁内(Philip Brune)、马西莫·维蒂(Massimo Vitti)、陈恒(Heng Chen)、李琴飞(Qnfei
Li)、马丁·库恩茨(Martin Kunz)、汉斯-鲁道夫·温克(Hans-Rudolf Wenk)、保罗·蒙特罗(Paulo
Monteiro)和安东尼·英格拉菲(Anthony Ingraffea)。
混凝土复合砂浆用于建造罗马帝国的主要建筑结构。科学家们对它的强烈兴趣不是它无与伦比的弹性和耐久性，而是它们可以提供的环境优势。大多数现代混凝土与基于石灰岩的硅酸盐水泥相结合。硅酸盐水泥的生产需要加热石灰岩和土壤的混合物，产生1450摄氏度。考虑到每年使用的硅酸盐水泥约为190亿吨，这将导致每年释放到大气层的所有碳的7%。
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相比之下，罗马建筑砂浆是由85%的火山灰和水和石灰组成的混合物，因此其煅烧温度远低于硅酸盐水泥。大约45%到55%的混凝土是由粗火山灰和砖块组成的。结果是碳排放大幅减少。“如果我们能在特定的混凝土生产过程中找到结合大量火山岩成分的方法，我们可以大大减少与这一生产过程相关的碳排放，提高其耐久性和机械阻力。杰克逊说。
杰克逊和她的合作伙伴作为研究的一部分，使用ALS光束线12.3.杰克逊说：“我们得到了一个特定的胶结微观结构，有许多不同点的衍射图案，”只有0.3毫米厚的罗马砂浆切片用x射线微衍射测量。“这使我们能够检测矿物聚集物的变化，这将为小区域内活跃的化学过程提供准确的指示。”
杰克逊和他的同事观察到的矿物变化表明，钙-铝-硅水合物(C-A-S-H)水化硅铝酸钙晶体在火山渣与砂浆基质之间的界面区域生长，砂浆在180天内逐渐获得强度和韧性。界面区韧性的增强体现在桥梁裂纹的形态学上。后者是由研究合作伙伴和缅因大学的兰迪斯通过电子计算机断层扫描（即CT扫描）测量断裂砂浆样本。这些实验结果与研究合作伙伴、杜邦科技公司布鲁内对断裂能量增加的计算结果一致。水化硅铝酸钙晶体没有表现出任何腐蚀，其光滑的表面暗示着长期的稳定性，类似于数万年的地质水化硅铝酸钙。
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杰克逊说：“水化硅铝酸钙晶体在原始位置结晶，产生的界面区域与观察到的任何硅酸盐水泥混凝土界面的微观结构不同。”。“硅酸盐水泥混凝土界面区域的高多孔性产生了一个容易产生和扩散裂缝通道的区域。”
杰克逊表示，研究人员面临的未来挑战是“寻找激活创新混凝土中的聚合物，如矿渣和火山灰，这样它们就可以在界面区形成像罗马建筑砂浆这样的水化硅铝酸钙。”
康奈尔大学的断裂测试实验由研究合作伙伴英格拉菲领导。从罗马图拉真市场获得的砂浆样本由研究合作伙伴维蒂提供。研究合作伙伴库恩茨是ALS光束线12.3.2.首席科学家。这项研究得到了国家科学基金会和哈佛大学罗卜图书馆的财政支持。
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