混凝土是古罗马帝国的基石。它推动了罗马著名的建筑革命，使建筑、桥梁和水渠等工程得以建造，而这些建筑在约2000年后的今天仍在使用。2023年，麻省理工学院副教授Admir Masic及其合作者发表了一篇论文，描述了赋予古罗马混凝土持久性的制造过程：石灰碎片与火山灰和其他干材料混合，然后在加水前进行预处理。一旦水加入这种干混合物中，就会产生热量。随着混凝土凝固，这种'热混合'过程将高反应性石灰保存为小的、白色的、类似砾石的特征。当混凝土中出现裂缝时，石灰碎片会重新溶解并填充裂缝，赋予混凝土自我修复的特性。
研究突破：纠正历史记载
然而，存在一个问题：Masic团队描述的过程与著名古罗马建筑师维特鲁威描述的不同。维特鲁威 literally写了关于古代建筑的书。他在公元前1世纪撰写的高度影响力的著作《建筑十书》是已知的第一本建筑理论书籍。在书中，维特鲁威说罗马人先向石灰中加水，制成糊状材料，然后再与其他成分混合。
"我对维特鲁威非常尊重，很难提出他的描述可能不准确的观点，"Masic说。"维特鲁威的著作激发了我对古罗马建筑学的兴趣，而我的研究结果与这些重要的历史文本相矛盾。"
现在，Masic及其合作者通过研究庞贝古城新发现的古代建筑遗址，确认了热混合确实被罗马人使用。该遗址因公元79年维苏威火山爆发的完美保存而得以保留。他们还表征了罗马人与石灰混合的火山灰材料，发现了一系列令人惊讶的多样化反应性矿物质，这些矿物质进一步增强了混凝土在建造多年后自我修复的能力。
"这种材料既有历史重要性，也有理解和理解它的科学和技术重要性，"Masic解释说。"这种材料可以在数千年内自我修复，它是反应性的，并且高度动态。它经历了地震和火山爆发。它在海底幸存下来，并经受住了自然元素的侵蚀。我们今天不想完全复制古罗马混凝土。我们只想将这本知识书中的几句话翻译成我们的现代建筑实践。"
庞贝古城的新发现
Masic花了近十年时间研究使罗马著名结构比现代对应物持久得多的混凝土的化学成分。他2023年的论文分析了材料的化学成分，以推断它是如何制造的。
那篇论文使用了意大利西南部普韦尔诺市一座城墙的样本，该城市在公元前4世纪被罗马人征服。但问题是，这面墙是否能代表整个罗马帝国建造的其他混凝土结构。
因此，考古学家最近在庞贝发现了一个活跃的古代建筑遗址（包括原材料堆和工具），为这一研究提供了前所未有的机会。
对于这项研究，研究人员分析了这些预混合干材料堆、一面正在建造中的墙、完成的扶壁和结构墙，以及现有墙中的砂浆修复样本。
"我们有幸能够打开这个建筑遗址的时间胶囊，并发现准备用于墙的材料堆，"Masic说。"通过这篇论文，我们想要明确定义一种技术，并将其与公元79年的罗马时期联系起来。"
该遗址提供了迄今为止最清晰的证据，证明罗马人在混凝土生产中使用热混合。混凝土样本不仅包含Masic先前论文中描述的石灰碎片，团队还在干原材料堆中发现了完整的生石灰碎片与其他成分预混合，这是热混合混凝土准备的关键第一步。
地球、大气和行星科学系的副教授Bergman帮助开发了区分现场不同材料的工具。
"通过这些稳定同位素研究，我们可以随时间跟踪这些关键的碳化反应，从而将热混合石灰与维特鲁威最初描述的熟石灰区分开来，"Masic说。"这些结果表明，罗马人通过煅烧石灰石（生石灰），将其研磨到一定大小，与火山灰干混合，然后最终加水以形成胶结基质来制备他们的胶结材料。"
火山灰的关键作用
研究人员还分析了水泥中的火山成分，包括一种称为浮石的火山灰。他们发现，浮石颗粒随时间与周围的孔隙溶液发生化学反应，形成新的矿物沉积物，进一步增强了混凝土的强度。
火山灰在古罗马混凝土中扮演着至关重要的角色。与现代混凝土不同，古罗马混凝土使用火山灰作为胶凝材料，而不是普通水泥。火山灰富含二氧化硅和氧化铝，这些成分与石灰水化产生的氢氧化钙发生反应，形成额外的水化硅酸钙和水化铝酸钙，这些化合物进一步增强了混凝土的强度和耐久性。
"火山灰不仅提供了额外的强度，还创造了允许混凝土自我修复的微观环境，"Masic解释道。"当微裂缝出现时，未反应的火山灰颗粒可以与渗入的水和氢氧化钙反应，形成新的矿物，填充这些裂缝。"
现代启示
Masic指出，钙是古代和现代混凝土的关键成分，因此理解它如何随时间反应对于理解现代水泥中的动态过程也具有启示意义。在这方面，Masic还创立了一家名为DMAT的公司，利用古罗马混凝土的经验来创造持久的现代混凝土。
"这相关是因为罗马水泥耐久，能自我修复，是一个动态系统，"Masic说。"这些火山成分中的孔隙可以通过重结晶填充的过程是我们想要翻译到现代材料中的梦想过程。我们想要能够自我再生的材料。"
至于维特鲁威，Masic猜测他可能被误解了。他指出维特鲁威也提到了水泥混合过程中的潜热，这可能仍然暗示热混合。
现代混凝土虽然强度高，但往往缺乏自我修复能力，需要频繁维护和更换。古罗马混凝土的自愈特性为现代材料科学提供了重要启示。通过研究古罗马混凝土的微观结构和化学反应，研究人员可以开发出具有类似自愈能力的现代材料，从而延长基础设施的使用寿命，减少维护成本，并降低建筑行业的碳排放。
技术细节与科学意义
这项研究的科学意义不仅在于纠正了历史记载，还在于揭示了古代材料科学的先进性。通过现代分析技术，如扫描电子显微镜、X射线衍射和稳定同位素分析，研究人员能够深入理解古罗马混凝土的微观结构和化学反应机制。
研究发现，古罗马混凝土中的石灰碎片并不是均匀分布的，而是在混凝土中形成了特定的微观结构。这些结构在混凝土出现裂缝时，能够提供反应位点，促进新的矿物形成，从而修复裂缝。这种自愈机制是现代混凝土所不具备的，也是古罗马混凝土能够历经千年而不衰的关键原因。
此外，研究人员还发现古罗马混凝土中的火山灰成分具有高度的多样性，包含了多种反应性矿物质。这些矿物质在混凝土长期使用过程中，能够与水和二氧化碳发生缓慢的化学反应，进一步改善混凝土的性能。这种长期的动态反应机制，是现代静态混凝土设计理念所忽视的。
未来展望
Masic和他的团队认为，古罗马混凝土的研究不仅有助于我们理解古代文明的技术成就，更为现代建筑材料的发展提供了宝贵灵感。通过借鉴古罗马混凝土的自愈机制和动态反应特性，研究人员可以开发出新一代的可持续建筑材料。
"我们不应该简单地复制古罗马混凝土，而是要理解其背后的科学原理，并将其应用于现代材料设计，"Masic强调。"我们需要开发出既具有高强度，又具有自愈能力，还能适应环境变化的智能建筑材料。"
随着气候变化和可持续发展需求的增加，建筑行业正面临减少碳排放和提高材料耐久性的双重挑战。古罗马混凝土的研究为解决这些挑战提供了新的思路。通过结合古代智慧和现代科技，我们有望创造出更加环保、耐久和智能的建筑材料，为未来的城市建设和基础设施发展奠定坚实基础。
