我们终于知道为什么古罗马混凝土能够持续数千年

古罗马人是建筑和工程大师，也许最著名的代表是渡槽。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，这种非常耐用的混凝土赋予了罗马结构令人难以置信的强度。

即使在今天，他们的一个结构——万神殿，仍然完好无损，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，火山灰的混合物——以意大利城市 Pozzuoli 命名，在那里可以找到大量的火山灰矿床——以及石灰.当与水混合时，这两种材料会发生反应，产生坚固的混凝土。

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团队发现，不仅材料与我们想象的材料略有不同，而且用于混合它们的技术也有所不同。

冒烟的枪是小块的白色石灰，可以在似乎是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，但对于麻省理工学院的材料科学家 Admir Masic 来说，这没有意义。

“这些石灰碎屑的存在仅仅归因于低质量控制的想法一直困扰着我，”Masic 说回到 2023 年 1 月。

“如果罗马人投入了如此多的努力来制造出色的建筑材料，遵循许多世纪以来优化的所有详细配方，为什么他们要投入如此少的努力来确保生产出混合良好的最终产品呢？这个故事必须有更多。

Masic 和由麻省理工学院土木工程师 Linda Seymour 领导的团队仔细研究了来自意大利 Privernum 考古遗址的 2,000 年历史的罗马混凝土样本。这些样品经过大面积扫描电子显微镜和能量色散 X 射线光谱、粉末 X 射线衍射和共焦拉曼成像，以更好地了解石灰碎屑。

我心中的问题之一是所用石灰的性质。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、腐蚀性较弱的糊状物。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的。

根据该团队的分析，他们样本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与火山灰和水在极高温度下直接混合而成的，要么单独混合，要么与熟石灰一起混合，该团队将这一过程称为“热混合”，产生石灰碎屑。

“热混合的好处是双重的，”Masic 说.

“首先，当整个混凝土被加热到高温时，如果只使用熟石灰，它就会产生不可能产生的化学成分，从而产生不会形成的高温相关化合物。其次，这种升高的温度显著缩短了固化和凝固时间，因为所有反应都被加速了，从而可以更快地构建。

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，它们会优先进入石灰碎屑，石灰碎屑的表面积比基体中的其他颗粒大。当水进入裂缝时，它与石灰反应形成富含钙的溶液，该溶液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。

这已被观察来自另一个 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满。它也可以解释为什么 2,000 年前建造的海堤上的罗马混凝土在海洋不断遭受冲击的情况下，仍能完好无损地保存了数千年。

因此，该团队通过使用生石灰从古代和现代配方中制造火山灰混凝土来测试他们的发现。他们还制作了不含生石灰的对照混凝土，并进行了裂缝测试。果然，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。

该团队现在正在努力将他们的混凝土商业化，作为比当前混凝土更环保的替代品。

“想到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，这令人兴奋。”Masic 说.

该研究已发表在科学进展.

本文的一个版本于 2023 年 1 月首次发布。

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