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地質學家研究了古羅馬混凝土的配方,結果讓人驚嘆

Bernhard Warner
2021-02-19

羅馬的圖拉真市場是用羅馬混凝土建造的,可以經歷幾百年甚至幾千年不朽。

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在圖拉真皇帝統治下的羅馬帝國,每周都是“基建周”。當時(公元98-117年)的羅馬欣欣向榮,圖拉真主持興建了大量公共工程項目:新的道路橋梁、溝渠、公共浴場,還在羅馬城西部奧斯蒂亞海岸建了一個大型海港。(圖拉真的前任奧古斯都也十分勤勉。)

你如果去過意大利,一定會驚嘆于這些經歷了歷史風霜的工程壯舉。

其中一個坐落在羅馬市中心,多年來一直令歷史學家、工程師和地質學家著迷——圖拉真市場。這個古老的市場位于羅馬廣場(Roman Forum)對面,宏偉堅固的建筑與羅馬都城的全球貿易中心地位相得益彰。市場入口的拱形混凝土走廊建于1900年前。即便你不是混凝土建筑愛好者,這座建筑開創性的設計和耐久性也仍然值得欣賞。它經受住了地震、煙霧、劫掠和熙熙攘攘的游客,而建筑本身卻沒有一點鋼筋支撐。

羅馬的圖拉真市場是用羅馬混凝土建造的,可以經歷幾百年甚至幾千年不朽。圖片來源:Massimo Siragusa—Agence VU/Redux

猶他大學(University of Utah)的地質與地球物理學系教授瑪麗·杰克遜說,那個年代的混凝土港口甚至更令人印象深刻。它們至今仍然完好無損。相較之下,20世紀建造的許多濱水項目已經搖搖欲墜。

“在舊金山的內河碼頭沿岸,能夠看到建于20世紀50年代的防波堤上巨大的混凝土塊剝落,鋼筋裸露在混凝土表面。”她說。而過去十年的一系列影響學研究也發出了類似的哀嘆。

建于20世紀50年代的舊金山內河碼頭已經開始腐朽。圖片來源:Gabrielle Lurie—San Francisco Chronicle/Getty Images

20世紀90年代,被羅馬帝國的建筑結構吸引,杰克遜前往意大利,研究這些建筑為什么可以經受住時間的考驗,而現代混凝土建筑在寥寥幾十年后就開始衰頹。(水泥和混凝土這兩個詞經常混用,但在建筑行業中,它們是有區別的:混凝土是水泥制成的最終產品。)

2013年,杰克遜所在的國際研究團隊對超級穩定的羅馬混凝土的原始配方進行了逆向工程研究。(劇透:是石灰和當地火山巖的混合物)這一發現震驚了水泥材料科學界的極客們,現在又讓新一代建筑商興奮不已,因為他們一直在尋找一種環保產品來替代現在普遍使用的波特蘭水泥。

羅馬人之后的建筑世界

波特蘭水泥是19世紀的英國人發明的,發明者約瑟夫·阿斯普丁因為其與伸入英吉利海峽的波特蘭島上的石灰石相似而命名,已經成為世界各地城市和道路網絡的基礎建筑材料。優質的波特蘭水泥價格低廉、用途廣泛,但其使用壽命僅為幾十年,保養問題令人頭疼。而且這種材料的生產過程會對環境造成惡劣影響。波特蘭水泥需要在高溫窯爐中生產,過程中一種名為煅燒的化學反應會排放大量的溫室氣體。總的來說,全球大約8%的碳排放來自于波特蘭水泥的生產。

另一方面,哪怕偶爾會遭遇野蠻侵略,羅馬混凝土卻能夠經受幾百年甚至幾千年的歲月。這種混凝土更輕,而且幾乎或完全不需要鋼筋加固(視應用場景而定)。與此同時,生產羅馬混凝土消耗的能源要少得多,產生的碳足跡也僅僅是波特蘭水泥的一小部分。

多虧了像杰克遜這樣的科學家團隊,古羅馬混凝土才得以重現。

杰克遜的研究成果在各大科學期刊上發表后,引起了美國能源部(U.S. Department of Energy)的注意。2019年,該部向杰克遜和她的研究團隊提供了140萬美元的能源部高級研究計劃局(ARPA-E)撥款,用于研發現代版的羅馬帝國建筑材料,并將其推向市場。

“我們需要創新,找到一種成本低又環保的替代材料。”她向《財富》雜志表示,“這就是我們所做的。”

杰克遜的團隊與美國能源部研發實驗室、薩凡納河國家實驗室(Savannah River National Laboratory)以及包括位于南卡羅萊納的材料科學初創公司GlassWRX在內的多家建筑企業展開了合作。

“讓羅馬走進千家萬戶”

生產羅馬混凝土顯然有一個問題。它的配方中需要大量使用當地火山巖,一種被稱為凝灰巖的巖石,鮮少存在于意大利半島外的其他地方。古羅馬人將石灰和當地的火山凝灰巖混合在一起,制成了混凝土,灌裝進木制模板。他們還需要依賴大自然對最終產品進行加固。例如,當時的工程師們意識到,海水一旦接觸未加工的水泥混合物,會立即引發“熱的化學反應。石灰會被水化——將水分子融入其結構中——并與灰燼產生反應,將混合物整體黏合在一起”, 制造出十分堅固的建筑材料。杰克遜團隊在2013年的論文中解釋道。

對今天的建筑商來說,現有的羅馬混凝土原材料根本無法滿足全世界的建筑需求,尤其是在全球城市化加速的今天。(正如比爾·蓋茨2019年在博客中所寫:“到2060年,世界將新增2萬億平方英尺的建筑——相當于未來40年,每個月新建一座紐約市。”)

杰克遜的研發團隊知道,如果他們不能從意大利農村開采這種材料,就必須在離家更近的地方開發一種同樣好的替代品。“我們開始想,‘嘿,如果不能條條大道通羅馬,就讓我們把羅馬帶進千家萬戶吧。’”團隊首席工程師、杰克遜在羅馬混凝土項目上的合作伙伴托馬斯·亞當斯說,“等到這個項目結束的時候,我們期望至少有一個(有望能有更多)示范項目完成了在羅馬城外重現羅馬混凝土的過程。”

這時GlassWRX加入了進來。該公司與杰克遜團隊合作,開發了一種與古羅馬混凝土差不多具有同等強度和耐久性的建筑材料。其原材料包括回收的玻璃。

GlassWRX材料的專業術語是“工程細胞巖漿”(ECM)。“有了ECM,我們能夠生產更優質、更耐久、更環保的混凝土,可以造出能夠更好地清潔空氣和水處理的材料。”該公司在最近一次介紹中稱。

第一代ECM還不能完全取代大多數建筑中的快干波特蘭水泥。“但一旦工程師們擁有了這種材料,他們體內的黑客因子就開始起作用了。他們會想方設法爭分奪秒盡快安裝。”亞當斯還說,他可以預見將材料用于橋基臺、擋土墻和防波堤的早期使用案例。

南卡州博福特市正在研究這種材料的使用。當地官員正在與GlassWRX討論將ECM用于一個濱水項目的建設。杰克遜說,這將是古羅馬以來第一個使用這種耐用材料的建筑項目,預計能夠維持幾個世紀,而且不需要水泥或鋼筋支撐。“我們在現代從來沒有見過這樣的建筑,”她說。

GlassWRX的科學團隊表示,保守地說,ECM可以維持200年。專家說,波特蘭水泥,尤其是用于海洋環境中的水泥,使用25年到30年就會開始出現老化。

正是這種耐久性引起了美國能源部的注意。公眾十分關注重建美國老舊基礎設施系統的工程,而要以低碳的方式來完成目標,就需要尋找一種更環保、更耐用的波特蘭水泥替代品。

“波特蘭水泥可以說是工業文明世界的基石。”GlassWRX的首席執行官及聯合創始人菲利普·加蘭德說,“人類社會要進入智能城市和智能社會時代,可持續發展和應對氣候變化是應有之義。這種新材料恰恰能夠發揮用武之地,造福社會。”

帝國締造者圖拉真也許要面臨競爭了。(財富中文網)

譯者:Agatha

在圖拉真皇帝統治下的羅馬帝國,每周都是“基建周”。當時(公元98-117年)的羅馬欣欣向榮,圖拉真主持興建了大量公共工程項目:新的道路橋梁、溝渠、公共浴場,還在羅馬城西部奧斯蒂亞海岸建了一個大型海港。(圖拉真的前任奧古斯都也十分勤勉。)

其中一個坐落在羅馬市中心,多年來一直令歷史學家、工程師和地質學家著迷——圖拉真市場。這個古老的市場位于羅馬廣場(Roman Forum)對面,宏偉堅固的建筑與羅馬都城的全球貿易中心地位相得益彰。市場入口的拱形混凝土走廊建于1900年前。即便你不是混凝土建筑愛好者,這座建筑開創性的設計和耐久性也仍然值得欣賞。它經受住了地震、煙霧、劫掠和熙熙攘攘的游客,而建筑本身卻沒有一點鋼筋支撐。

羅馬的圖拉真市場是用羅馬混凝土建造的,可以經歷幾百年甚至幾千年不朽。

猶他大學(University of Utah)的地質與地球物理學系教授瑪麗·杰克遜說,那個年代的混凝土港口甚至更令人印象深刻。它們至今仍然完好無損。相較之下,20世紀建造的許多濱水項目已經搖搖欲墜。

“在舊金山的內河碼頭沿岸,能夠看到建于20世紀50年代的防波堤上巨大的混凝土塊剝落,鋼筋裸露在混凝土表面。”她說。而過去十年的一系列影響學研究也發出了類似的哀嘆。

20世紀90年代,被羅馬帝國的建筑結構吸引,杰克遜前往意大利,研究這些建筑為什么可以經受住時間的考驗,而現代混凝土建筑在寥寥幾十年后就開始衰頹。(水泥和混凝土這兩個詞經常混用,但在建筑行業中,它們是有區別的:混凝土是水泥制成的最終產品。)

2013年,杰克遜所在的國際研究團隊對超級穩定的羅馬混凝土的原始配方進行了逆向工程研究。(劇透:是石灰和當地火山巖的混合物)這一發現震驚了水泥材料科學界的極客們,現在又讓新一代建筑商興奮不已,因為他們一直在尋找一種環保產品來替代現在普遍使用的波特蘭水泥。

羅馬人之后的建筑世界

波特蘭水泥是19世紀的英國人發明的,發明者約瑟夫·阿斯普丁因為其與伸入英吉利海峽的波特蘭島上的石灰石相似而命名,已經成為世界各地城市和道路網絡的基礎建筑材料。優質的波特蘭水泥價格低廉、用途廣泛,但其使用壽命僅為幾十年,保養問題令人頭疼。而且這種材料的生產過程會對環境造成惡劣影響。波特蘭水泥需要在高溫窯爐中生產,過程中一種名為煅燒的化學反應會排放大量的溫室氣體。總的來說,全球大約8%的碳排放來自于波特蘭水泥的生產。

另一方面,哪怕偶爾會遭遇野蠻侵略,羅馬混凝土卻能夠經受幾百年甚至幾千年的歲月。這種混凝土更輕,而且幾乎或完全不需要鋼筋加固(視應用場景而定)。與此同時,生產羅馬混凝土消耗的能源要少得多,產生的碳足跡也僅僅是波特蘭水泥的一小部分。

多虧了像杰克遜這樣的科學家團隊,古羅馬混凝土才得以重現。

杰克遜的研究成果在各大科學期刊上發表后,引起了美國能源部(U.S. Department of Energy)的注意。2019年,該部向杰克遜和她的研究團隊提供了140萬美元的能源部高級研究計劃局(ARPA-E)撥款,用于研發現代版的羅馬帝國建筑材料,并將其推向市場。

“我們需要創新,找到一種成本低又環保的替代材料。”她向《財富》雜志表示,“這就是我們所做的。”

杰克遜的團隊與美國能源部研發實驗室、薩凡納河國家實驗室(Savannah River National Laboratory)以及包括位于南卡羅萊納的材料科學初創公司GlassWRX在內的多家建筑企業展開了合作。

“讓羅馬走進千家萬戶”

生產羅馬混凝土顯然有一個問題。它的配方中需要大量使用當地火山巖,一種被稱為凝灰巖的巖石,鮮少存在于意大利半島外的其他地方。古羅馬人將石灰和當地的火山凝灰巖混合在一起,制成了混凝土,灌裝進木制模板。他們還需要依賴大自然對最終產品進行加固。例如,當時的工程師們意識到,海水一旦接觸未加工的水泥混合物,會立即引發“熱的化學反應。石灰會被水化——將水分子融入其結構中——并與灰燼產生反應,將混合物整體黏合在一起”, 制造出十分堅固的建筑材料。杰克遜團隊在2013年的論文中解釋道。

對今天的建筑商來說,現有的羅馬混凝土原材料根本無法滿足全世界的建筑需求,尤其是在全球城市化加速的今天。(正如比爾·蓋茨2019年在博客中所寫:“到2060年,世界將新增2萬億平方英尺的建筑——相當于未來40年,每個月新建一座紐約市。”)

杰克遜的研發團隊知道,如果他們不能從意大利農村開采這種材料,就必須在離家更近的地方開發一種同樣好的替代品。“我們開始想,‘嘿,如果不能條條大道通羅馬,就讓我們把羅馬帶進千家萬戶吧。’”團隊首席工程師、杰克遜在羅馬混凝土項目上的合作伙伴托馬斯·亞當斯說,“等到這個項目結束的時候,我們期望至少有一個(有望能有更多)示范項目完成了在羅馬城外重現羅馬混凝土的過程。”

這時GlassWRX加入了進來。該公司與杰克遜團隊合作,開發了一種與古羅馬混凝土差不多具有同等強度和耐久性的建筑材料。其原材料包括回收的玻璃。

GlassWRX材料的專業術語是“工程細胞巖漿”(ECM)。“有了ECM,我們能夠生產更優質、更耐久、更環保的混凝土,可以造出能夠更好地清潔空氣和水處理的材料。”該公司在最近一次介紹中稱。

第一代ECM還不能完全取代大多數建筑中的快干波特蘭水泥。“但一旦工程師們擁有了這種材料,他們體內的黑客因子就開始起作用了。他們會想方設法爭分奪秒盡快安裝。”亞當斯還說,他可以預見將材料用于橋基臺、擋土墻和防波堤的早期使用案例。

南卡州博福特市正在研究這種材料的使用。當地官員正在與GlassWRX討論將ECM用于一個濱水項目的建設。杰克遜說,這將是古羅馬以來第一個使用這種耐用材料的建筑項目,預計能夠維持幾個世紀,而且不需要水泥或鋼筋支撐。“我們在現代從來沒有見過這樣的建筑,”她說。

GlassWRX的科學團隊表示,保守地說,ECM可以維持200年。專家說,波特蘭水泥,尤其是用于海洋環境中的水泥,使用25年到30年就會開始出現老化。

正是這種耐久性引起了美國能源部的注意。公眾十分關注重建美國老舊基礎設施系統的工程,而要以低碳的方式來完成目標,就需要尋找一種更環保、更耐用的波特蘭水泥替代品。

“波特蘭水泥可以說是工業文明世界的基石。”GlassWRX的首席執行官及聯合創始人菲利普·加蘭德說,“人類社會要進入智能城市和智能社會時代,可持續發展和應對氣候變化是應有之義。這種新材料恰恰能夠發揮用武之地,造福社會。”

帝國締造者圖拉真也許要面臨競爭了。(財富中文網)

譯者:Agatha

In Emperor Trajan’s Rome, every week was “Infrastructure Week.” During his prosperous reign, from AD 98–117, Trajan commissioned massive public works projects: new bridges and roads, aqueducts, public baths, a vast maritime port on the Ostia coast just west of the city of Rome. (Trajan’s predecessor, Augustus, was no slouch either.)

If you’ve ever visited Italy, you’ve no doubt gawked at these long-standing feats of engineering.

One, in the center of Rome, has fascinated historians, engineers, and geologists for years: Trajan’s Market. Sitting across the street from the Roman Forum, the ancient marketplace is a grand, sturdy structure befitting any capital city with the ambitions of a global trading power. You enter through a vaulted concrete corridor built 1,900 years ago. Even if you’re no fan of concrete architecture, the edifice is still worth appreciating for its groundbreaking design and durability. It’s survived earthquakes, smog, marauding hordes, and throngs of tourists. And there’s not a bit of metal reinforcement holding it up.

Even more impressive are the concrete ports of that epoch, says Marie D. Jackson, a professor in the geology and geophysics department at the University of Utah. They’re still remarkably intact. Compare that with many of the crumbling waterfront projects of the 20th century.

“If you’ve ever walked along the Embarcadero of the San Francisco waterfront, those are concrete [seawalls] made in the 1950s, and you just see huge blocks that are falling off, and there’s steel reinforcement bleeding out into the concrete,” she observes, adding to the chorus of impact studies that have made a similar lament over the past decade.

The structures of the ancient Roman empire drew Jackson to Italy in the 1990s to study why they have withstood the test of time while our modern concrete architecture begins to chip away after a few decades. (“Cement” and “concrete” are terms often used interchangeably, but on a building site there’s a difference: Concrete is the final product made from cement.)

In 2013, Jackson was part of an international team of researchers that reverse engineered the original formula for super-stable Roman concrete. (Spoiler: It involves a mix of lime and local volcanic rock.) The discovery rocked the geeky world of cementitious materials science, and now it’s exciting a new generation of builders who’ve been looking for a greener substitute for the now-ubiquitous version, Portland cement.

What came after the Romans

Developed in 19th-century England, Portland cement—so named by inventor Joseph Aspdin for its resemblance to the limestone found on the Isle of Portland that juts into the English Channel—has become the go-to building block of the world’s cities and road networks. Good old Portland cement is cheap and versatile, but its life span is measured in mere decades; upkeep is a constant headache. And making the stuff is brutal on the environment. Portland cement is produced in kilns that run at extremely high temperatures. And the cooking process creates a chemical reaction called calcination that emits heavy greenhouse gas emissions. All told, roughly 8% of global carbon emissions come from the production of Portland cement.

Roman concrete, on the other hand, has a track record of lasting centuries or even millennia—notwithstanding the occasional barbarian invasion. It’s lighter and, depending on the application, requires little to no steel reinforcement. The production of Roman concrete, meanwhile, utilizes far less energy, generating a carbon footprint that’s a fraction of that of Portland cement.

Thanks to a small team of scientists like Jackson, ancient Roman concrete is on the map again.

Following the publication of Jackson’s work in various scientific journals, the U.S. Department of Energy took notice. In 2019, the agency awarded Jackson and her research team a $1.4 million ARPA-E grant to develop a modern-day version of the same material that built the Roman empire—and bring it to the marketplace.

“We have to innovate to find a replacement for that material that is both low-cost and environmentally friendly,” she tells Fortune. “And that’s what we’re doing.”

Jackson’s team partnered with the DOE R&D lab, the Savannah River National Laboratory, and with a consortium of construction industry players, including GlassWRX, a South Carolina–based materials science startup.

“Take Rome to the masses”

There’s an obvious problem with Roman concrete. It’s a formulation rich in the local volcanic stone, a variety of rock called tuff, found on the Italian peninsula and few other places on the planet. Ancient Romans made concrete by mixing lime and the indigenous volcanic tuff, packing the blend into wooden forms. They also relied on Mother Nature to help fortify the final product. For example, the engineers of the time understood that seawater, coming into contact with the raw cement blend, would instantly trigger “a hot chemical reaction. The lime was hydrated—incorporating water molecules into its structure—and reacted with the ash to cement the whole mixture together,” producing super-sturdy building blocks, Jackson’s team explained in its 2013 paper.

For today’s builders, there’s simply not enough of the raw materials of Roman concrete to satisfy the world’s building needs, particularly in a rapidly urbanizing planet. (As Bill Gates wrote on his blog in 2019, “the world will add 2 trillion square feet of buildings by 2060—the equivalent of putting up another New York City every month for the next 40 years.”)

Jackson’s development team knew that if they couldn’t mine the material out of the Italian countryside, they’d have to develop a substitute closer to home that’s just as good. “We started thinking, ‘Hey, let’s take Rome to the masses, rather than the masses to Rome,’” says Thomas Adams, the lead engineer, and Jackson’s partner on the Roman concrete project. “By the time this project is over, we expect to have at least one, and hopefully more active demonstration projects, where we have gone through and reinvented Roman concrete outside of Rome.”

That’s where GlassWRX comes in. Working with Jackson, the firm has developed a building material with many of the same strength and durability attributes of ancient Roman concrete. It’s made in part from recycled glass.

The technical term for this GlassWRX material is “engineered cellular magmatic,” or ECM. “With ECMs we can make better, longer-lasting, more eco-friendly concretes. We can create materials that are better at cleaning our polluted air and treating our water,” the company wrote in a recent presentation explaining the technology.

The first generation of ECM isn’t quite versatile enough to displace quick-dry Portland cement in most kinds of construction projects. “But once the world’s engineers get their hands on this, the hacker-factor thing comes into play. They’ll figure out ways to install this really, really quickly,” Adams says, adding that he can see early-use cases in bridge abutments, retaining walls, and seawalls.

The city of Beaufort, S.C., is looking at the technology for exactly that. Local officials are in discussions with GlassWRX to develop a waterfront construction project with this ECM. Jackson says it would be the first construction project since the ancient Roman era involving such a durable building material—one that’s expected to last for centuries and requires no cement or steel rebar supports. “We’ve seen nothing like this in modern times,” she says of the material.

The GlassWRX’s scientific team says the ECM will last, conservatively, for 200 years. Portland cement, particularly used in marine settings, lasts 25 to 30 years, experts say, before it starts to degrade.

That shelf life is what so intrigues the U.S. Department of Energy. With so much focus on rebuilding America’s crumbling infrastructure, and to do so in a low-carbon way, the race is on to find a greener, more durable substitute for Portland cement.

“Portland cement is sort of the building block of the industrial civilized world,” observes Phillip Galland, the CEO and cofounder of GlassWRX. “Now it’s time to move into smart cities, and smart societies that focus on sustainability, and resiliency to climate change. And that is where the new materials can come in and have a societal impact.”

Trajan, that empire builder, just might have competition.

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