古羅馬人是建築和工程大師，最著名的代表也許就是渡槽。這些仍然具有功能性的奇蹟依賴於一種獨特的建築材料：火山灰混凝土，一種極其耐用的混凝土，賦予了羅馬建築令人難以置信的強度。
即使在今天，他們的建築之一——萬神殿仍然完好無損，已有近 2,000 年的歷史——仍然保持著世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂的記錄。
這種混凝土的特性通常歸因於它的成分：火山灰，一種火山灰混合物，以意大利城市波佐利命名，在那裡可以找到大量的火山灰礦床。酸橙。當與水混合時，兩種材料可以發生反應，生成堅固的混凝土。
但事實證明，這並不是故事的全部。 2023年，由麻省理工學院（MIT）領導的一個國際研究小組發現，這些材料不僅與我們想像的略有不同，而且用於混合它們的技術也有所不同。
確鑿的證據是白色的小石灰塊，可以在看似混合良好的混凝土中找到。這些塊的存在以前被歸因於混合不良或材料，但麻省理工學院的材料科學家阿德米爾·馬西奇認為這沒有意義。
“這些石灰碎屑的存在僅僅歸因於低質量控制的想法一直困擾著我，”馬西奇說時間回到 2023 年 1 月。
“如果羅馬人在製造一種出色的建築材料上投入瞭如此多的努力，遵循了多個世紀以來優化的所有詳細配方，為什麼他們會在確保生產出混合良好的最終產品上投入如此少的精力呢？這個故事一定還有更多內容。”
Masic 和麻省理工學院土木工程師 Linda Seymour 領導的團隊仔細研究了來自意大利普里弗努姆考古遺址的 2000 年前的羅馬混凝土樣本。對這些樣品進行了大面積掃描電子顯微鏡、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。
需要考慮的問題之一是所用石灰的性質。對火山灰混凝土的標準理解是它使用熟石灰。首先，將石灰石在高溫下加熱，產生一種高反應性的苛性鹼粉末，稱為生石灰，或氧化鈣。
將生石灰與水混合會產生熟石灰或氫氧化鈣：一種活性稍低、腐蝕性較小的糊狀物。根據理論，古羅馬人將這種熟石灰與火山灰混合。
根據團隊的分析，他們樣品中的石灰碎屑與該方法不一致。相反，羅馬混凝土可能是通過將生石灰直接與火山灰和水在極高的溫度下混合而成的，單獨或與熟石灰一起混合，該團隊將這一過程稱為“熱混合”，產生石灰碎屑。
“熱混合的好處是雙重的，”馬西奇說。
“首先，當整個混凝土被加熱到高溫時，它會產生僅使用熟石灰時不可能發生的化學反應，產生原本不會形成的高溫相關化合物。其次，由於所有反應都加速了，這種升高的溫度顯著減少了固化和凝固時間，從而使施工速度更快。”
它還有另一個好處：石灰碎屑賦予混凝土卓越的自愈能力。
當混凝土中形成裂縫時，它們優先傳播到石灰碎屑，石灰碎屑比基質中的其他顆粒具有更高的表面積。當水進入裂縫時，它會與石灰髮生反應，形成富含鈣的溶液，該溶液乾燥並硬化為碳酸鈣，將裂縫重新粘在一起並防止其進一步擴散。
這已觀察到混凝土中的混凝土來自另一個擁有 2000 年曆史的遺址，即卡西莉亞·梅特拉墓 (Tomb of Caecilia Metella)，其中混凝土的裂縫已被方解石填充。這也可以解釋為什麼 2000 年前建造的羅馬混凝土海堤在海洋的不斷侵蝕下仍完好無損地保存了數千年。
因此，研究小組通過使用生石灰根據古代和現代配方製作火山灰混凝土來測試他們的發現。他們還製作了不含生石灰的對照混凝土並進行了裂縫測試。果然，開裂的生石灰混凝土在兩週內完全癒合，但對照混凝土仍然開裂。
該團隊目前正致力於將其混凝土商業化，作為當前混凝土的更環保的替代品。
“想到這些更耐用的混凝土配方不僅可以延長這些材料的使用壽命，而且可以提高 3D 打印混凝土配方的耐用性，令人興奮，”馬西奇說。
該研究發表於科學進步。
本文的一個版本於 2023 年 1 月首次發布。
