古罗马人是建筑和工程的大师，也许最著名的代表是水渠。而那些仍然具有功能的奇迹依赖于一种独特的建筑材料：火山灰混凝土，一种非常耐用的混凝土，赋予了罗马建筑难以置信的强度。

即使在今天，他们的建筑之一 —— 万神殿，仍然完好无损，有近2000年的历史 —— 保持着世界上最大的非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，一种以意大利城市波佐利命名的火山灰和石灰的混合物，在那里可以发现大量的火山灰沉积物。当与水混合时，这两种材料可以反应产生强混凝土。

但事实证明，这并不是故事的全部。2023年，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有所不同。

确凿的证据是白色的小石灰块，可以在看似混合良好的混凝土中找到。这些块的存在以前被归因于混合不良或材料，但这对麻省理工学院的材料科学家阿德米尔·马西奇（Admir Masic）来说没有意义。

早在2023年1月，马西奇就表示：“把这些石灰碎屑的存在简单地归因于质量控制不力的想法一直困扰着我。”

“如果罗马人在制造一种优秀的建筑材料上付出了如此多的努力，遵循了许多世纪以来优化的所有详细配方，为什么他们在确保生产出混合良好的最终产品上付出的努力如此之少呢？这个故事肯定有更多的内容。”

马西奇和由麻省理工学院土木工程师琳达·西摩（Linda Seymour）领导的团队仔细研究了意大利Privernum考古遗址中2000年前的罗马混凝土样本。这些样品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，以更好地了解石灰碎屑。

其中一个问题是所使用的石灰的性质。对火山灰混凝土的标准理解是它使用的是熟石灰。首先，石灰石在高温下加热，产生一种高活性的腐蚀性粉末，称为生石灰或氧化钙。

生石灰与水混合会产生熟石灰或氢氧化钙：一种反应性稍低、腐蚀性较弱的糊状物。根据理论，古罗马人就是把这种熟石灰和火山灰混合在一起。

根据研究小组的分析，他们样本中的石灰碎屑与这种方法不一致。更确切地说，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混合而成的，或者除了熟石灰之外，这个过程被团队称为“热混合”，它会产生石灰碎屑。

“热混合的好处是双重的，”马西奇说。

“首先，当整个混凝土被加热到高温时，它允许化学物质，如果你只使用熟石灰是不可能的，产生高温相关的化合物，否则不会形成。其次，温度的升高大大缩短了固化和凝固时间，因为所有的反应都加快了，从而加快了施工速度。”

它还有另一个好处：石灰渣赋予混凝土非凡的自我修复能力。

当混凝土中形成裂缝时，它们优先向石灰颗粒移动，石灰颗粒比基质中的其他颗粒具有更高的表面积。当水进入裂缝时，它与石灰反应形成一种富含钙的溶液，这种溶液干燥并硬化为碳酸钙，将裂缝粘合在一起，防止裂缝进一步扩大。

这在另一个有着2000年历史的遗址Caecilia Metella墓的混凝土中也观察到了，那里的混凝土裂缝被方解石填满。这也可以解释为什么2000年前建造的罗马海堤的混凝土在海洋的不断冲击下完好无损地保存了几千年。

因此，研究小组通过使用生石灰从古代和现代的配方中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，并进行了裂缝试验。果然，开裂的生石灰混凝土在两周内就完全愈合了，但对照混凝土仍然开裂。

该团队目前正致力于将他们的混凝土商业化，作为一种更环保的混凝土替代品。

马西奇说：“想到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久性，这真是令人兴奋。”

该研究已发表在《科学进展》上。

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