要點:
古羅馬人憑借獨特的火山灰混凝土，建造了耐久的建筑奇跡，例如至今完好的萬神殿。與現代混凝土結搆相比，古羅馬的材料和混合技朮展現出驚人的耐用性，吸引了研究人員深入探索其背后的秘密。
科技正以前所未有的速度和規模發展，引發多個領域的變革，塑造了新的商業模式，甚至重塑了全新社會結構。我們一起，從科技創新中洞察社會轉型和升級的機遇。
狂呼科技研究所聚焦科技創新對當今世界的影響，以獨特、前瞻的科技視角，洞察科技時代下涌現的“創新革命”。
狂呼，以最具突破性的技朮塑造我們的未來，為大眾捕捉科技商業先機，探索當今人類社會面臨的重大挑戰。
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古羅馬人以其卓越的建筑和工程技朮而聞名，最著名的成就是水渠系統。公元128年建成的萬神殿/Pantheon是古羅馬的一座杰出建筑，擁有世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂，至今依然完好如初。實際上，整個古羅馬帝國的牆壁、地基，以及渡槽、港口、道路和橋梁等基礎設施，几乎都是釆用無鋼筋混凝土建造的。這這些依然在使用的建筑奇跡，得益於一種獨特的材料：火山灰混凝土。這種混凝土極為耐用，賦予了羅馬建筑無與倫比的強度。
而與此形成鮮明對比的是，許多現代混凝土結搆在短短几十年內就出現了損壞。因此，長期以來，研究人員一直希望能探究古羅馬建筑材料的耐用秘密。2023年，由麻省理工學院/MIT領導的一個國際研究小組發現，不僅這些材料與我們想象的略有不同，而且用於混合它們的技朮也有所不同。
被忽視的白色礦物
混凝土是全球最常用的建筑材料，其中普通硅酸鹽水泥/OPC是其關鍵成分。然而，OPC的生產伴隨着嚴重的環境問題：每生產1噸OPC，約釋放出1噸二氧化碳。因此，許多研究人員希望找到延長混凝土使用壽命的方法，以減少對環境的影響。而古代混凝土因其優異的耐久性，一直以來都是科學研究的重點。
這種混凝土的獨特特性通常歸因於其成分：火山灰，這是一種混合了意大利波佐利地區火山灰和石灰的材料，那里有丰富的火山灰沉積物。當與水混合時，這兩種成分能產生強度極高的混凝土。然而，事實遠不止於此。
確鑿的證據在於那些小型白色石灰塊，這些塊狀物可在看似均勻的混凝土中發現。過去，這些塊的存在常常被歸咎於混合不均或材料問題，但麻省理工學院的材料科學家阿德米爾·馬西奇對此表示懷疑。
早在2023年1月，馬西奇就指出，“將這些石灰碎屑的存在簡單歸因於質量控制不足的看法讓我感到困惑。”他進一步提到，“如果羅馬人在制造這種優質建筑材料上投入了如此多的努力，并遵循了經過多個世紀優化的詳細配方，為什么在確保最終產品的混合均勻性上卻如此疏忽？顯然，這個故事還有更多值得探究的內容。”
馬西奇與麻省理工學院土木工程師琳達·西摩領導的團隊，仔細研究了來自意大利Privernum考古遺址的2000年前的羅馬混凝土樣本。他們使用了掃描電子顯微鏡、能量色散X射線光譜、粉末X射線衍射和共聚焦拉曼成像等技朮，以深入了解這些石灰碎屑。
研究的一個關鍵問題是所用石灰的性質。傳統上認為，火山灰混凝土是使用熟石灰。石灰石在高溫下加熱后，生成一種高活性的腐蝕性粉末，稱為生石灰或氧化鈣。生石灰與水混合后形成熟石灰，即氫氧化鈣，這種材料反應性稍低，腐蝕性也較弱。理論上，古羅馬人就是將熟石灰與火山灰混合使用的。
然而，這一發現為砂漿的制備方法提供了新的視角，表明古羅馬人可能在混合物中使用了生石灰，甚至可能是將生石灰與熟石灰結合使用。這些生石灰在與其他成分混合之前，可能并未與水先行混合，而是直接加入到火山灰和粗骨料中。
這種過程會釋放熱量，產生放熱反應，從而創造出一個高表面積的灰岩屑能夠停留在砂漿中的環境。這種方法被稱為熱混合。研究人員認為，這種熱混合方式是古羅馬混凝土超強耐久性的關鍵。
當整個混凝土加熱到高溫時，會產生僅用熟石灰無法獲得的化合物，從而形成在其他條件下無法實現的高溫相關化合物。其次，溫度的提升顯著縮短了固化和凝固的時間，使所有反應加速，從而加快施工進程。
強大的自愈功能
在熱混合過程中，灰岩屑會形成脆性納米顆粒結搆，這種結搆作為活性鈣源容易斷裂。研究人員認為，正是這些結搆賦予了混凝土強大的自愈合能力。
具體來說，當混凝土內部出現微小裂縫時，這些裂縫會優先穿過高表面積的灰岩屑。隨后，灰岩屑與水反應，生成飽和的鈣溶液，這些鈣溶液可以結晶為碳酸鈣，并迅速填充裂縫，或者與火山灰材料反應，從而進一步增強復合材料的強度。這些反應都是自發發生的，因此能夠在裂縫擴展之前自動愈合。
為了驗證這一機制是否確實導致了羅馬混凝土的耐久性，研究團隊制作了結合古代和現代配方的熱拌混凝土樣品，并故意使其開裂，隨后讓水流經裂縫。結果顯示，不到兩周的時間，裂縫便完全愈合，再也沒有水流動。而一塊同樣的、不含生石灰的混凝土則無法愈合，水始終在樣品中流動。
當混凝土中形成裂縫時，它們優先向石灰顆粒移動，因為石灰顆粒的表面積比基質中的其他顆粒大。當水進入裂縫時，會與石灰反應生成富含鈣的溶液，隨后該溶液干燥并硬化為碳酸鈣，從而將裂縫粘合在一起，防止進一步擴展。
這種現象在Caecilia Metella墓的2000年曆史混凝土中也得到了證實，那里裂縫被方解石填滿。這也解釋了為什么2000年前建造的羅馬海堤在海洋的沖擊下依然完好無損，保存了數千年。
因此，研究小組通過使用生石灰，結合古代和現代配方制作火山灰混凝土，并制作了不含生石灰的對照混凝土進行裂縫測試。結果顯示，開裂的生石灰混凝土在兩周內愈合完全，而對照混凝土則依然開裂。
目前，研究團隊正致力於將這種水泥材料商業化，旨在為建筑行業帶來革命性的變化。這些更耐用的混凝土配方不僅能延長建筑和設施的使用壽命，還能顯著提升3D打印混凝土的耐久性。這種進步不僅意味着更長久的基礎設施，更是對環境的深遠影響。通過延長功能壽命和研發更輕量的混凝土，研究人員希望有效減少水泥生產對環境的負擔。展望未來，這些創新材料將為可持續建筑實踐鋪平道路，為人類與自然的和諧共生開辟新的可能性。
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