我們終于知道為什么古羅馬混凝土如此耐用了

古羅馬人是建筑和工程大師，也許最著名的代表是渡槽。而那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，這種非常耐用的混凝土賦予了羅馬結(jié)構(gòu)令人難以置信的強度。

即使在今天，他們的一個結(jié)構(gòu)——萬神殿，仍然完好無損，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，火山灰的混合物——以意大利城市 Pozzuoli 命名，在那里可以找到大量的火山灰礦床——以及石灰.當與水混合時，這兩種材料會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生堅固的混凝土。

但事實證明，這并不是故事的全部。2023 年，由麻省理工學院 （MIT） 領(lǐng)導的一個國際研究團隊發(fā)現(xiàn)，不僅材料與我們想象的材料略有不同，而且用于混合它們的技術(shù)也有所不同。

冒煙的槍是小塊的白色石灰，可以在似乎是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，但對于麻省理工學院的材料科學家 Admir Masic 來說，這沒有意義。

“這些石灰碎屑的存在僅僅歸因于低質(zhì)量控制的想法一直困擾著我，”Masic 說回到 2023 年 1 月。

“如果羅馬人投入了如此多的努力來制造出色的建筑材料，遵循許多世紀以來優(yōu)化的所有詳細配方，為什么他們要投入如此少的努力來確保生產(chǎn)出混合良好的最終產(chǎn)品呢？這個故事必須有更多。

Masic 和由麻省理工學院土木工程師 Linda Seymour 領(lǐng)導的團隊仔細研究了來自意大利 Privernum 考古遺址的 2,000 年歷史的羅馬混凝土樣本。

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 射線衍射和共焦拉曼成像，以更好地了解石灰碎屑。

我心中的問題之一是所用石灰的性質(zhì)。對火山灰混凝土的標準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、腐蝕性較弱的糊狀物。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的。

根據(jù)該團隊的分析，他們樣本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與火山灰和水在極高溫度下單獨或與熟石灰一起混合制成的，該團隊將這一過程稱為“熱混合”，產(chǎn)生石灰碎屑。

“熱混合的好處是雙重的，”Masic 說.

“首先，當整個混凝土被加熱到高溫時，如果只使用熟石灰，它就會產(chǎn)生不可能產(chǎn)生的化學成分，從而產(chǎn)生不會形成的高溫相關(guān)化合物。其次，這種升高的溫度顯著縮短了固化和凝固時間，因為所有反應(yīng)都被加速了，從而可以更快地構(gòu)建。

它還有另一個好處： 石灰碎屑賦予混凝土非凡的自愈能力。

當混凝土中形成裂縫時，它們會優(yōu)先進入石灰碎屑，石灰碎屑的表面積比基體中的其他顆粒大。當水進入裂縫時，它與石灰反應(yīng)形成富含鈣的溶液，該溶液干燥并硬化為碳酸鈣，將裂縫粘合在一起并防止其進一步擴散。

這已被觀察來自另一個 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滿。它也可以解釋為什么 2,000 年前建造的海堤上的羅馬混凝土在海洋不斷遭受沖擊的情況下，仍能完好無損地保存了數(shù)千年。

因此，該團隊通過使用生石灰從古代和現(xiàn)代配方中制造火山灰混凝土來測試他們的發(fā)現(xiàn)。他們還制作了不含生石灰的對照混凝土，并進行了裂縫測試。果然，開裂的生石灰混凝土在兩周內(nèi)完全愈合，但對照混凝土仍然開裂。

該團隊現(xiàn)在正在努力將他們的混凝土商業(yè)化，作為比當前混凝土更環(huán)保的替代品。

“想到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，這令人興奮。”Masic 說.

該研究已發(fā)表在科學進展.

本文的一個版本于 2023 年 1 月首次發(fā)布。

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