原来，我们关于古罗马火山灰混凝土的配方，是错的

古罗马人是建筑和工程学大师，他们的工程奇迹依赖于一种独特的建筑材料：火山灰混凝土，一种极其耐用的混凝土，赋予了罗马建筑难以置信的强度。

即使在今天，古罗马建筑之一——著名的万神殿，仍然完好无损，已有近 2000 年的历史——保持着世界上最大的无钢筋混凝土圆顶的记录。

这种混凝土的特性通常归因于它的成分：火山灰，一种混合物——以意大利城市波佐利命名，在那里可以找到大量的火山灰——和石灰。 当与水混合时，这两种材料会发生反应，生成坚固的混凝土。

但事实证明，这并不是故事的全部。 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与我们的想象不同。

确凿的证据是，可以在看似混合良好的混凝土中找到小的白色石灰块。这些块的存在以前被归因于混合不良或材料良品率，但这对麻省理工学院的材料科学家 Admir Masic 来说没有意义。

“将石灰碎屑的存在简单地归因于低质量控制的想法一直困扰着我。如果罗马人付出如此多的努力来制造一种出色的建筑材料，并经多个世纪优化所有详细配方，他们为什么不能稍微花些精力来确保产出混合良好的最终产品 ？”

Masic和由麻省理工学院土木工程师 Linda Seymour 领导的团队仔细研究了来自意大利 Privernum 考古遗址的具有 2000 年历史的罗马混凝土样本。 对这些样品进行大面积扫描电子显微镜和能量色散 X 射线光谱、粉末 X 射线衍射和共焦拉曼成像，以更好地了解石灰碎屑。

问题之一是所用石灰的性质。我们理解中的火山灰混凝土的标准是，使用消石灰。 首先，将石灰石在高温下加热以产生一种称为生石灰或氧化钙的高活性腐蚀性粉末。将生石灰与水混合会产生熟石灰或氢氧化钙：一种反应性稍差、腐蚀性较低的糊状物。根据经典说法，古罗马人将这种熟石灰与火山灰混合。

但根据团队的分析，样本中的石灰碎屑与这种方法不一致。 相反，罗马混凝土可能是通过将生石灰直接与火山灰和水在极高的温度下单独或与熟石灰混合而制成的，该团队称之为“热混合”的过程会产生石灰碎屑。

“热混合的好处是双重的。首先，当整体被加热到高温时，可以得到只使用熟石灰时不可能产生的某些化学反应，后者无法形成高温相关的化合物。其次，升高的温度会显著减少固化和凝固的时间，因为所有的反应都加速了，所以可以更快地用于建造。”

它还有另一个好处：石灰碎屑赋予混凝土非凡的自我修复能力。

当混凝土中出现裂缝时，它们会优先延展到石灰碎屑中，石灰碎屑的表面积高于基质中的其他颗粒。 当水进入裂缝时，它会与石灰发生反应，形成富含钙的溶液，这种溶液干燥后会硬化成碳酸钙，将裂缝粘合在一起，防止裂缝进一步扩散。

在另一个有 2000 年历史的遗址——Caecilia Metella 墓——的混凝土中观察到了这一点，那里混凝土的裂缝中填充了方解石。 这也可以解释为什么 2000 年前建造的罗马海堤混凝土在海洋不断遭受冲击的情况下仍保存了数千年。

因此，该团队通过使用生石灰根据古代和现代配方制作火山灰混凝土来测试他们的发现。 他们还制作了不含生石灰的对照混凝土，并进行了裂缝测试。 果然，开裂的生石灰混凝土在两周内完全愈合，但对照混凝土仍然开裂。

该团队现在正致力于将他们的混凝土商业化，作为目前混凝土的一种更环保的替代品。

“想想这些更耐用的混凝土配方不仅可以延长这些材料的使用寿命，还可以提高 3D 打印混凝土配方的耐用性，令人兴奋。”Masic 说。

该研究已发表在《科学进展》上。

https://www.sciencealert.com/we-finally-know-how-ancient-roman-concrete-was-so-durable