我們終于知道為什么古羅馬混凝土能夠持續(xù)數(shù)千年

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(shí)用的奇跡依賴于一種獨(dú)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(qiáng)度。

即使在今天，他們的一個(gè)結(jié)構(gòu)——萬(wàn)神殿，仍然完好無(wú)損，有近 2,000 年的歷史——保持著世界上最大的無(wú)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(dāng)與水混合時(shí)，這兩種材料會(huì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生堅(jiān)固的混凝土。

但事實(shí)證明，這并不是故事的全部。2023 年，由麻省理工學(xué)院 （MIT） 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)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(duì)于麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家 Admir Masic 來(lái)說(shuō)，這沒(méi)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(shuō)回到 2023 年 1 月。

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

Masic 和由麻省理工學(xué)院土木工程師 Linda Seymour 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)仔細(xì)研究了來(lái)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(guò)大面積掃描電子顯微鏡和能量色散 X 射線光譜、粉末 X 射線衍射和共焦拉曼成像，以更好地了解石灰碎屑。

我心中的問(wèn)題之一是所用石灰的性質(zhì)。對(duì)火山灰混凝土的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)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(tuán)隊(duì)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(guò)將生石灰與火山灰和水在極高溫度下直接混合而成的，要么單獨(dú)混合，要么與熟石灰一起混合，該團(tuán)隊(duì)將這一過(guò)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(shuō).

“首先，當(dāng)整個(gè)混凝土被加熱到高溫時(shí)，如果只使用熟石灰，它就會(huì)產(chǎn)生不可能產(chǎn)生的化學(xué)成分，從而產(chǎn)生不會(huì)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(shí)間，因?yàn)樗蟹磻?yīng)都被加速了，從而可以更快地構(gòu)建。

它還有另一個(gè)好處： 石灰碎屑賦予混凝土非凡的自愈能力。

當(dāng)混凝土中形成裂縫時(shí)，它們會(huì)優(yōu)先進(jìn)入石灰碎屑，石灰碎屑的表面積比基體中的其他顆粒大。當(dāng)水進(jìn)入裂縫時(shí)，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(jìn)一步擴(kuò)散。

這已被觀察來(lái)自另一個(gè) 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(wú)損地保存了數(shù)千年。

因此，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用生石灰從古代和現(xiàn)代配方中制造火山灰混凝土來(lái)測(cè)試他們的發(fā)現(xiàn)。他們還制作了不含生石灰的對(duì)照混凝土，并進(jìn)行了裂縫測(cè)試。果然，開(kāi)裂的生石灰混凝土在兩周內(nèi)完全愈合，但對(duì)照混凝土仍然開(kāi)裂。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在努力將他們的混凝土商業(yè)化，作為比當(dāng)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(zhǎng)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(shuō).

該研究已發(fā)表在科學(xué)進(jìn)展.

本文的一個(gè)版本于 2023 年 1 月首次發(fā)布。

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