我们终于知道古罗马混凝土是如何持续数千年的

古罗马人是建筑和工程大师，也许最著名的是渡槽。而那些仍然实用的奇迹依赖于一种独特的建筑材料：火山灰混凝土，一种非常耐用的混凝土，赋予了罗马建筑令人难以置信的强度。

即使在今天，他们的建筑之一——万神殿，仍然完好无损，已有近 2,000 年的历史——保持着世界上最大的无钢筋混凝土圆顶的记录。

这种混凝土的特性通常归因于其成分：火山灰，一种火山灰的混合物——以意大利城市火山灰命名，在那里可以找到大量的火山灰沉积物——以及石灰.当与水混合时，这两种材料可以反应生成坚固的混凝土。

但事实证明，这并不是故事的全部。2023 年，由麻省理工学院 （MIT） 领导的一个国际研究小组发现，这些材料不仅与我们想象的略有不同，而且用于混合它们的技术也不同。

冒烟的枪是小块的白色石灰，可以在似乎混合良好的混凝土中找到。这些块的存在以前被归因于混合不良或材料，但这对麻省理工学院的材料科学家Admir Masic来说没有意义。

“这些石灰碎屑的存在只是由于质量控制不足，这种想法一直困扰着我，”马西奇说早在 2023 年 1 月。

“如果罗马人花了这么多精力来制造一种出色的建筑材料，遵循了几个世纪以来优化的所有详细配方，为什么他们会花这么少的努力来确保生产混合良好的最终产品？这个故事一定还有更多。

由麻省理工学院土木工程师琳达·西摩（Linda Seymour）领导的Masic和团队仔细研究了来自意大利Privernum考古遗址的2000年前的罗马混凝土样本。对样品进行了大面积扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱、粉末X射线衍射和共聚焦拉曼成像，以更好地了解石灰碎屑。

其中一个问题是所用石灰的性质。对火山灰混凝土的标准理解是它使用消石灰.首先，石灰石在高温下加热以产生一种高反应性苛性粉末，称为生石灰或氧化钙。

将生石灰与水混合会产生熟石灰或氢氧化钙：一种反应性稍低、腐蚀性较小的糊状物。根据理论，古罗马人正是将这种熟石灰与火山灰混合在一起。

根据该团队的分析，他们样品中的石灰碎屑与这种方法不一致。相反，罗马混凝土可能是通过将生石灰直接与火山灰和水在极高的温度下混合而成的，单独或与熟石灰混合，这一过程被团队称为“热混合”，从而产生石灰碎屑。

“热混合的好处是双重的，”马西奇说.

“首先，当整个混凝土被加热到高温时，它允许化学反应，而如果你只使用熟石灰，它会产生与高温相关的化合物，否则这些化合物不会形成。其次，由于所有反应都加速了，因此温度的升高大大缩短了固化和凝固时间，从而加快了施工速度。

它还有另一个好处：石灰碎屑赋予混凝土非凡的自愈能力。

当混凝土中形成裂缝时，它们优先移动到石灰碎屑中，石灰碎屑的表面积高于基体中的其他颗粒。当水进入裂缝时，它会与石灰反应形成富含钙的溶液，该溶液会干燥并硬化为碳酸钙，将裂缝粘合在一起并防止其进一步扩散。

这已观察到在另一个拥有 2,000 年历史的遗址 Caecilia Metella 墓的混凝土中，混凝土中的裂缝被方解石填充。这也可以解释为什么2000年前建造的海堤上的罗马混凝土在海洋不断受到冲击的情况下，却完好无损地存活了数千年。

因此，该团队通过使用生石灰从古代和现代配方中制作火山灰混凝土来测试他们的发现。他们还制造了一种不含生石灰的对照混凝土，并进行了裂缝测试。果不其然，开裂的生石灰混凝土在两周内完全愈合，但对照混凝土仍然开裂。

该团队现在正致力于将他们的混凝土商业化，作为当前混凝土的更环保的替代品。

“令人兴奋的是，这些更耐用的混凝土配方不仅可以延长这些材料的使用寿命，还可以提高3D打印混凝土配方的耐久性。马西奇说.

该研究已发表在科学进展.

本文最初发表于2023年1月。

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