我們終于知道為什么古羅馬混凝土經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)

古羅馬人是建筑和工程大師，也許最著名的代表是渡槽.這些仍然實(shí)用的奇跡依賴于一種獨(dú)特的建筑材料：火山灰混凝土，一種非常耐用的混合物，可以羅馬建筑他們令人難以置信的力量。

即使在今天，他們的杰作之一——萬(wàn)神殿在羅馬，仍然完好無(wú)損，已有近 2,000 年的歷史——保持著世界上最大的無(wú)鋼混凝土圓頂?shù)挠涗洝?/p>

這些非凡的特性通常歸功于其成分：火山灰——一種火山灰的混合物，以意大利波佐利市命名，那里發(fā)現(xiàn)了大量礦床——以及石灰.這兩種材料與水反應(yīng)，產(chǎn)生堅(jiān)固、耐用的混凝土。

但事實(shí)證明這并不是故事的全部。2023年，麻省理工學(xué)院（MIT）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，不僅羅馬混凝土中的材料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。

自 2023 年的調(diào)查結(jié)果以來(lái)，對(duì)古代配方原材料的分析以及能源需求揭示了我們可以改進(jìn)現(xiàn)代水泥的方法。

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觀看下面的視頻，了解麻省理工學(xué)院主導(dǎo)的研究摘要：

冒煙的槍是混合良好的混凝土中的小塊白色石灰塊。這些塊的存在以前歸因于混合不良或成分。

對(duì)于麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家 Admir Masic 來(lái)說(shuō)，這是沒(méi)有意義的。

“如果羅馬人付出了如此多的努力來(lái)制造一種出色的建筑材料，遵循了幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)優(yōu)化的所有詳細(xì)配方，為什么他們會(huì)花這么少的精力來(lái)確保生產(chǎn)混合良好的最終產(chǎn)品？”馬西奇說(shuō)2023 年 1 月。

“這個(gè)故事必須有更多內(nèi)容?！?/p>

馬西奇和麻省理工學(xué)院土木工程師琳達(dá)·西摩 （Linda Seymour） 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)仔細(xì)研究了來(lái)自意大利普里維努姆考古遺址的 2,000 年前的羅馬混凝土樣本。

這些樣品經(jīng)過(guò)大面積掃描電子顯微鏡,能量色散 X 射線光譜,粉末X射線衍射和共聚焦拉曼成像了解有關(guān)石灰碎屑的更多信息。

一個(gè)主要問(wèn)題是所用石灰的性質(zhì)?；鹕交一炷恋臉?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，正是這種熟石灰與火山灰混合在一起。

該團(tuán)隊(duì)的分析發(fā)現(xiàn)，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(guò)在極高的溫度下將生石灰直接與火山灰和水混合制成的——該團(tuán)隊(duì)將這一過(guò)程稱為“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(shuō).

“首先，當(dāng)整個(gè)混凝土被加熱到高溫時(shí)，它可以產(chǎn)生僅使用熟石灰時(shí)不可能產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)，從而產(chǎn)生原本不會(huì)形成的高溫相關(guān)化合物。其次，這種升高的溫度顯著減少了固化和凝固時(shí)間，因?yàn)樗蟹磻?yīng)都加速了，從而可以更快地施工。

它還有另一個(gè)好處：石灰碎屑使混凝土變得非凡自愈能力。

當(dāng)裂紋形成時(shí)，它們優(yōu)先到達(dá)石灰碎屑，石灰碎屑的表面積高于基質(zhì)中的其他顆粒。如果水進(jìn)入裂縫，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，將裂縫粘回原處并防止其蔓延。

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這已觀察到在另一個(gè) 2,000 年歷史的遺址的混凝土中，凱西莉亞·梅泰拉墓，裂縫已被填充方解石.這也可以解釋為什么 2000 年前建造的海堤制成的羅馬混凝土盡管受到海洋的不斷沖擊，但仍能完好無(wú)損地存活了數(shù)千年。

該團(tuán)隊(duì)對(duì)火山灰混凝土（使用古代和現(xiàn)代生石灰配方制成）和不含生石灰的對(duì)照混凝土進(jìn)行了裂縫測(cè)試。果然，開(kāi)裂的生石灰混凝土在兩周內(nèi)愈合，但對(duì)照混凝土仍然開(kāi)裂。

研究人員正在努力將他們的混凝土商業(yè)化，作為當(dāng)前混合物的更環(huán)保的替代品。

“想想這些更耐用的混凝土配方如何不僅可以延長(zhǎng)這些材料的使用壽命，還可以提高 3D 打印混凝土配方的耐用性，真是令人興奮，”馬西奇說(shuō).

最近，在 2025 年的一項(xiàng)研究中，工程師將羅馬式混凝土的原材料和能源需求與現(xiàn)代混凝土進(jìn)行了比較硅酸鹽水泥.他們發(fā)現(xiàn)，雖然羅馬式混合物需要更多的水和初始能量輸入，但隨著時(shí)間的推移，它們更長(zhǎng)的使用壽命可以使它們更具可持續(xù)性。

該研究已發(fā)表在科學(xué)進(jìn)步.

本文的早期版本于 2023 年 1 月發(fā)布。

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