我們終于知道為什么古羅馬混凝土經(jīng)受住了時間的考驗

古羅馬人是建筑和工程大師，也許最著名的代表是渡槽.這些仍然實用的奇跡依賴于一種獨特的建筑材料：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——萬神殿在羅馬，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)生堅固、耐用的混凝土。

但事實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)的一個國際團隊發(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，對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。

對于麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家 Admir Masic 來說，這是沒有意義的。

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

“這個故事必須有更多內(nèi)容。”

馬西奇和麻省理工學(xué)院土木工程師琳達·西摩 （Linda Seymour） 領(lǐng)導(dǎo)的團隊仔細研究了來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。

一個主要問題是所用石灰的性質(zhì)?；鹕交一炷恋臉藴世斫馐撬褂?a>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。

該團隊的分析發(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——該團隊將這一過程稱為“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.

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

它還有另一個好處：石灰碎屑使混凝土變得非凡自愈能力。

當(dāng)裂紋形成時，它們優(yōu)先到達石灰碎屑，石灰碎屑的表面積高于基質(zhì)中的其他顆粒。如果水進入裂縫，它會與石灰反應(yīng)形成富含鈣的溶液，該溶液會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 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，但仍能完好無損地存活了數(shù)千年。

該團隊對火山灰混凝土（使用古代和現(xiàn)代生石灰配方制成）和不含生石灰的對照混凝土進行了裂縫測試。果然，開裂的生石灰混凝土在兩周內(nèi)愈合，但對照混凝土仍然開裂。

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.

最近，在 2025 年的一項研究中，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，但隨著時間的推移，它們更長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)進步.

本文的早期版本于 2023 年 1 月發(fā)布。

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