建筑
古罗马混凝土为何能历经千年
古罗马人在建筑和工程方面堪称大师，最著名的代表之一就是他们的水渠。而这些仍在使用的奇迹依赖于一种独特的建筑材料：火山灰混凝土，这种混凝土异常耐用，使罗马建筑具有惊人的强度。
至今，他们的一座建筑——近两千年的万神殿，仍然保持完好，创造了世界上最大未加固混凝土圆顶的记录。
这种混凝土的特性通常归因于其成分：火山灰(pozzolana)，这是一种来自意大利波佐利的火山灰混合物，以及石灰。当与水混合时，这两种材料会发生反应，产生强力混凝土。
但事实并非如此简单。2023年，由麻省理工学院(MIT)领导的国际研究团队发现，这些材料的成分与我们所想的略有不同，而它们的混合技术也与众不同。
“罪证”是那些小块白色石灰，这些块状物似乎出现在本应混合均匀的混凝土中。之前，人们将这些块状物归因于混合不良或材料问题，但MIT材料科学家Admir Masic对此表示质疑。
“我一直对将这些石灰块的存在简单归因于低质量控制感到困惑，”Masic在2023年1月说。“如果罗马人花了如此多精力制作出卓越的建筑材料，遵循经过数百年优化的详细配方，为什么在确保生产出均匀混合的最终产品时又如此马虎？这其中一定还有更多的故事。”
Masic和由MIT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2000年历史的罗马混凝土样本。研究人员对这些样本进行了大面积扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱、粉末X射线衍射和共聚焦拉曼成像等分析，以更好地理解石灰块的特性。
研究中一个关键问题是使用的石灰类型。标准的火山灰混凝土理解是使用熟石灰。首先，石灰石在高温下加热，产生一种高反应性的腐蚀性粉末——生石灰或氧化钙。
将生石灰与水混合会产生熟石灰，即氢氧化钙：一种反应性较低、腐蚀性较小的浆料。根据理论，古罗马人是将这种熟石灰与火山灰混合。
但根据团队的分析，样本中的石灰块与这种方法并不一致。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温度下混合而成，可能同时或另外使用熟石灰，这一过程被团队称为“热混合”，会产生石灰块。
Masic表示：“热混合的好处有两个。”
“首先，当整体混凝土加热到高温时，会产生一些仅在使用熟石灰时无法形成的化合物。第二，这种高温显著缩短了固化和凝固时间，因为所有反应都被加速，这使得建造速度大大加快。”
它还有另一个好处：石灰块赋予混凝土卓越的自愈合能力。
当混凝土出现裂缝时，裂缝会优先向石灰块延伸，因为石灰块的表面积比基体中的其他颗粒大。当水渗入裂缝时，会与石灰反应，形成富含钙的溶液，干燥后变成碳酸钙，从而将裂缝粘合回去，防止进一步扩展。
这种现象在另一个2000年历史的遗址——凯西莉亚·梅特拉陵墓的混凝土中也有观察到，混凝土中的裂缝已被方解石填补。这也可以解释为何2000年前修建的海堤混凝土尽管遭受海洋不断冲击，却仍然完好无损。
因此，研究团队通过使用生石灰制作古代和现代配方的火山灰混凝土来验证他们的发现。他们还制作了一种不含生石灰的对照混凝土并进行了裂缝测试。结果显示，含生石灰的混凝土在两周内完全愈合，而对照混凝土则始终存在裂缝。
目前，团队正在努力将他们的混凝土商业化，作为一种更环保的替代品。
Masic表示：“想想这些更耐用的混凝土配方不仅可以延长材料的使用寿命，还能提高3D打印混凝土的耐用性，真令人兴奋。”
摘要
古罗马混凝土的耐用性源于独特的热混合技术和自愈合能力，现代研究揭示了其持久之谜，为环保建材的未来提供了新方向。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。