古羅馬人是建筑和工程大師，也許最著名的是渡槽。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，一種非常耐用的混凝土，賦予了羅馬建筑令人難以置信的強度。

即使在今天，他們的建筑之一——萬神殿，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筋混凝土圓頂的記錄。

這種混凝土的特性通常歸因于其成分：火山灰，一種火山灰的混合物——以意大利城市火山灰命名，在那里可以找到大量的火山灰沉積物——以及石灰.當與水混合時，這兩種材料可以反應生成堅固的混凝土。

但事實證明，這并不是故事的全部。2023 年，由麻省理工學院 （MIT） 領導的一個國際研究小組發現，這些材料不僅與我們想象的略有不同，而且用于混合它們的技術也不同。

冒煙的槍是小塊的白色石灰，可以在似乎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，但這對麻省理工學院的材料科學家Admir Masic來說沒有意義。

“這些石灰碎屑的存在只是由于質量控制不足，這種想法一直困擾著我，”馬西奇說早在 2023 年 1 月。

“如果羅馬人花了這么多精力來制造一種出色的建筑材料，遵循了幾個世紀以來優化的所有詳細配方，為什么他們會花這么少的努力來確保生產混合良好的最終產品？這個故事一定還有更多。

由麻省理工學院土木工程師琳達·西摩（Linda Seymour）領導的Masic和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。對樣品進行了大面積掃描電子顯微鏡和能量色散X射線光譜、粉末X射線衍射和共聚焦拉曼成像，以更好地了解石灰碎屑。

其中一個問題是所用石灰的性質。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生一種高反應性苛性粉末，稱為生石灰或氧化鈣。

將生石灰與水混合會產生熟石灰或氫氧化鈣：一種反應性稍低、腐蝕性較小的糊狀物。根據理論，古羅馬人正是將這種熟石灰與火山灰混合在一起。

根據該團隊的分析，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將生石灰直接與火山灰和水在極高的溫度下混合而成的，單獨或與熟石灰混合，這一過程被團隊稱為“熱混合”，從而產生石灰碎屑。

“熱混合的好處是雙重的，”馬西奇說.

“首先，當整個混凝土被加熱到高溫時，它允許化學反應，而如果你只使用熟石灰，它會產生與高溫相關的化合物，否則這些化合物不會形成。其次，由于所有反應都加速了，因此溫度的升高大大縮短了固化和凝固時間，從而加快了施工速度。

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，它們優先移動到石灰碎屑中，石灰碎屑的表面積高于基體中的其他顆粒。當水進入裂縫時，它會與石灰反應形成富含鈣的溶液，該溶液會干燥并硬化為碳酸鈣，將裂縫粘合在一起并防止其進一步擴散。

這已觀察到在另一個擁有 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充。這也可以解釋為什么2000年前建造的海堤上的羅馬混凝土在海洋不斷受到沖擊的情況下，卻完好無損地存活了數千年。

因此，該團隊通過使用生石灰從古代和現代配方中制作火山灰混凝土來測試他們的發現。他們還制造了一種不含生石灰的對照混凝土，并進行了裂縫測試。果不其然，開裂的生石灰混凝土在兩周內完全愈合，但對照混凝土仍然開裂。

該團隊現在正致力于將他們的混凝土商業化，作為當前混凝土的更環保的替代品。

“令人興奮的是，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。馬西奇說.

該研究已發表在科學進展.

本文最初發表于2023年1月。

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