我們終于知道古羅馬混凝土是如何持續(xù)數(shù)千年的

古羅馬人是建筑和工程大師，也許最著名的是渡槽。而那些仍然實(shí)用的奇跡依賴于一種獨(dú)特的建筑材料：火山灰混凝土，一種非常耐用的混凝土，賦予了羅馬建筑令人難以置信的強(qiáng)度。

即使在今天，他們的建筑之一——萬神殿，仍然完好無損，已有近 2,000 年的歷史——保持著世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂?shù)挠涗洝?/p>

這種混凝土的特性通常歸因于其成分：火山灰，一種火山灰的混合物——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積物——以及石灰.當(dāng)與水混合時(shí)，這兩種材料可以反應(yīng)生成堅(jiān)固的混凝土。

但事實(shí)證明，這并不是故事的全部。2023 年，由麻省理工學(xué)院 （MIT） 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國際研究小組發(fā)現(xiàn)，這些材料不僅與我們想象的略有不同，而且用于混合它們的技術(shù)也不同。

冒煙的槍是小塊的白色石灰，可以在似乎混合良好的混凝土中找到。這些塊的存在以前被歸因于混合不良或材料，但這對(duì)麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家Admir Masic來說沒有意義。

“這些石灰碎屑的存在只是由于質(zhì)量控制不足，這種想法一直困擾著我，”馬西奇說早在 2023 年 1 月。

“如果羅馬人花了這么多精力來制造一種出色的建筑材料，遵循了幾個(gè)世紀(jì)以來優(yōu)化的所有詳細(xì)配方，為什么他們會(huì)花這么少的努力來確保生產(chǎn)混合良好的最終產(chǎn)品？這個(gè)故事一定還有更多。

由麻省理工學(xué)院土木工程師琳達(dá)·西摩（Linda Seymour）領(lǐng)導(dǎo)的Masic和團(tuán)隊(duì)仔細(xì)研究了來自意大利Privernum考古遺址的2000年前的羅馬混凝土樣本。對(duì)樣品進(jìn)行了大面積掃描電子顯微鏡和能量色散X射線光譜、粉末X射線衍射和共聚焦拉曼成像，以更好地了解石灰碎屑。

其中一個(gè)問題是所用石灰的性質(zhì)。對(duì)火山灰混凝土的標(biāo)準(zhǔn)理解是它使用消石灰.首先，石灰石在高溫下加熱以產(chǎn)生一種高反應(yīng)性苛性粉末，稱為生石灰或氧化鈣。

將生石灰與水混合會(huì)產(chǎn)生熟石灰或氫氧化鈣：一種反應(yīng)性稍低、腐蝕性較小的糊狀物。根據(jù)理論，古羅馬人正是將這種熟石灰與火山灰混合在一起。

根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的分析，他們樣品中的石灰碎屑與這種方法不一致。相反，羅馬混凝土可能是通過將生石灰直接與火山灰和水在極高的溫度下混合而成的，單獨(dú)或與熟石灰混合，這一過程被團(tuán)隊(duì)稱為“熱混合”，從而產(chǎn)生石灰碎屑。

“熱混合的好處是雙重的，”馬西奇說.

“首先，當(dāng)整個(gè)混凝土被加熱到高溫時(shí)，它允許化學(xué)反應(yīng)，而如果你只使用熟石灰，它會(huì)產(chǎn)生與高溫相關(guān)的化合物，否則這些化合物不會(huì)形成。其次，由于所有反應(yīng)都加速了，因此溫度的升高大大縮短了固化和凝固時(shí)間，從而加快了施工速度。

它還有另一個(gè)好處：石灰碎屑賦予混凝土非凡的自愈能力。

當(dāng)混凝土中形成裂縫時(shí)，它們優(yōu)先移動(dòng)到石灰碎屑中，石灰碎屑的表面積高于基體中的其他顆粒。當(dāng)水進(jìn)入裂縫時(shí)，它會(huì)與石灰反應(yīng)形成富含鈣的溶液，該溶液會(huì)干燥并硬化為碳酸鈣，將裂縫粘合在一起并防止其進(jìn)一步擴(kuò)散。

這已觀察到在另一個(gè)擁有 2,000 年歷史的遺址 Caecilia Metella 墓的混凝土中，混凝土中的裂縫被方解石填充。這也可以解釋為什么2000年前建造的海堤上的羅馬混凝土在海洋不斷受到?jīng)_擊的情況下，卻完好無損地存活了數(shù)千年。

因此，該團(tuán)隊(duì)通過使用生石灰從古代和現(xiàn)代配方中制作火山灰混凝土來測試他們的發(fā)現(xiàn)。他們還制造了一種不含生石灰的對(duì)照混凝土，并進(jìn)行了裂縫測試。果不其然，開裂的生石灰混凝土在兩周內(nèi)完全愈合，但對(duì)照混凝土仍然開裂。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正致力于將他們的混凝土商業(yè)化，作為當(dāng)前混凝土的更環(huán)保的替代品。

“令人興奮的是，這些更耐用的混凝土配方不僅可以延長這些材料的使用壽命，還可以提高3D打印混凝土配方的耐久性。馬西奇說.

該研究已發(fā)表在科學(xué)進(jìn)展.

本文最初發(fā)表于2023年1月。

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