古罗马混凝土的“耐用秘密”

要点:
古罗马人凭借独特的火山灰混凝土，建造了耐久的建筑奇迹，例如至今完好的万神殿。与现代混凝土结构相比，古罗马的材料和混合技术展现出惊人的耐用性，吸引了研究人员深入探索其背后的秘密。

古罗马人以其卓越的建筑和工程技术而闻名，最著名的成就是水渠系统。公元128年建成的万神殿/Pantheon是古罗马的一座杰出建筑，拥有世界上最大的无钢筋混凝土圆顶，至今依然完好如初。实际上，整个古罗马帝国的墙壁、地基，以及渡槽、港口、道路和桥梁等基础设施，几乎都是釆用无钢筋混凝土建造的。这这些依然在使用的建筑奇迹，得益于一种独特的材料：火山灰混凝土。这种混凝土极为耐用，赋予了罗马建筑无与伦比的强度。

而与此形成鲜明对比的是，许多现代混凝土结构在短短几十年内就出现了损坏。因此，长期以来，研究人员一直希望能探究古罗马建筑材料的耐用秘密。 2023年，由麻省理工学院/MIT领导的一个国际研究小组发现，不仅这些材料与我们想象的略有不同，而且用于混合它们的技术也有所不同。

被忽视的白色矿物
混凝土是全球最常用的建筑材料，其中普通硅酸盐水泥/OPC是其关键成分。然而，OPC的生产伴随着严重的环境问题：每生产1吨OPC，约释放出1吨二氧化碳。因此，许多研究人员希望找到延长混凝土使用寿命的方法，以减少对环境的影响。而古代混凝土因其优异的耐久性，一直以来都是科学研究的重点。

这种混凝土的独特特性通常归因于其成分：火山灰，这是一种混合了意大利波佐利地区火山灰和石灰的材料，那里有丰富的火山灰沉积物。当与水混合时，这两种成分能产生强度极高的混凝土。然而，事实远不止于此。

确凿的证据在于那些小型白色石灰块，这些块状物可在看似均匀的混凝土中发现。过去，这些块的存在常常被归咎于混合不均或材料问题，但麻省理工学院的材料科学家阿德米尔·马西奇对此表示怀疑。

早在2023年1月，马西奇就指出，“将这些石灰碎屑的存在简单归因于质量控制不足的看法让我感到困惑。”他进一步提到，“如果罗马人在制造这种优质建筑材料上投入了如此多的努力，并遵循了经过多个世纪优化的详细配方，为什么在确保最终产品的混合均匀性上却如此疏忽？显然，这个故事还有更多值得探究的内容。”

马西奇与麻省理工学院土木工程师琳达·西摩领导的团队，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。他们使用了扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱、粉末X射线衍射和共聚焦拉曼成像等技术，以深入了解这些石灰碎屑。

研究的一个关键问题是所用石灰的性质。传统上认为，火山灰混凝土是使用熟石灰。石灰石在高温下加热后，生成一种高活性的腐蚀性粉末，称为生石灰或氧化钙。生石灰与水混合后形成熟石灰，即氢氧化钙，这种材料反应性稍低，腐蚀性也较弱。理论上，古罗马人就是将熟石灰与火山灰混合使用的。

然而，这一发现为砂浆的制备方法提供了新的视角，表明古罗马人可能在混合物中使用了生石灰，甚至可能是将生石灰与熟石灰结合使用。这些生石灰在与其他成分混合之前，可能并未与水先行混合，而是直接加入到火山灰和粗骨料中。

这种过程会释放热量，产生放热反应，从而创造出一个高表面积的灰岩屑能够停留在砂浆中的环境。这种方法被称为热混合。研究人员认为，这种热混合方式是古罗马混凝土超强耐久性的关键。

当整个混凝土加热到高温时，会产生仅用熟石灰无法获得的化合物，从而形成在其他条件下无法实现的高温相关化合物。其次，温度的提升显著缩短了固化和凝固的时间，使所有反应加速，从而加快施工进程。

强大的自愈功能
在热混合过程中，灰岩屑会形成脆性纳米颗粒结构，这种结构作为活性钙源容易断裂。研究人员认为，正是这些结构赋予了混凝土强大的自愈合能力。

具体来说，当混凝土内部出现微小裂缝时，这些裂缝会优先穿过高表面积的灰岩屑。随后，灰岩屑与水反应，生成饱和的钙溶液，这些钙溶液可以结晶为碳酸钙，并迅速填充裂缝，或者与火山灰材料反应，从而进一步增强复合材料的强度。这些反应都是自发发生的，因此能够在裂缝扩展之前自动愈合。

为了验证这一机制是否确实导致了罗马混凝土的耐久性，研究团队制作了结合古代和现代配方的热拌混凝土样品，并故意使其开裂，随后让水流经裂缝。结果显示，不到两周的时间，裂缝便完全愈合，再也没有水流动。而一块同样的、不含生石灰的混凝土则无法愈合，水始终在样品中流动。

当混凝土中形成裂缝时，它们优先向石灰颗粒移动，因为石灰颗粒的表面积比基质中的其他颗粒大。当水进入裂缝时，会与石灰反应生成富含钙的溶液，随后该溶液干燥并硬化为碳酸钙，从而将裂缝粘合在一起，防止进一步扩展。

这种现象在Caecilia Metella墓的2000年历史混凝土中也得到了证实，那里裂缝被方解石填满。这也解释了为什么2000年前建造的罗马海堤在海洋的冲击下依然完好无损，保存了数千年。

因此，研究小组通过使用生石灰，结合古代和现代配方制作火山灰混凝土，并制作了不含生石灰的对照混凝土进行裂缝测试。结果显示，开裂的生石灰混凝土在两周内愈合完全，而对照混凝土则依然开裂。

目前，研究团队正致力于将这种水泥材料商业化，旨在为建筑行业带来革命性的变化。这些更耐用的混凝土配方不仅能延长建筑和设施的使用寿命，还能显著提升3D打印混凝土的耐久性。这种进步不仅意味着更长久的基础设施，更是对环境的深远影响。通过延长功能寿命和研发更轻量的混凝土，研究人员希望有效减少水泥生产对环境的负担。展望未来，这些创新材料将为可持续建筑实践铺平道路，为人类与自然的和谐共生开辟新的可能性。