科学家揭示罗马万神庙为何屹立不倒

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圆顶似乎有一种神秘的自愈材料。

世界各地的一些混凝土结构建于数千年前，令人惊讶的是，仅从字面上看就可以发现，它们经受住了时间的考验。最值得注意的是，罗马的万神庙建于公元126-128年左右，但其巨大的、未加固的混凝土穹顶仍然庄严地支撑着这座城市。一些古罗马高架渠甚至仍在使用，稳定地将水输送到陆地上。

因此，一个大问题自然产生了：2000年前的混凝土有什么特别之处？我们如何才能建造像罗马帝国标志性建筑一样耐用的超级建筑？近日，在《科学进展》杂志上，麻省理工学院的工程师给出了一个令人着迷的答案。简言之，他们认为称为“石灰碎屑”的小矿物赋予了旧混凝土某种修复能力。

但真正有趣的是，多年来，科学家们一直认为古代混凝土混合物中石灰碎屑的存在是偶然的——这是混合水平不佳和注意力不集中的结果。

麻省理工学院土木与环境工程教授、该研究的主要作者Admiral Masic在一份声明中表示：“这些石灰碎屑的存在仅仅是由于质量控制不力，这一想法一直困扰着我。”

“如果罗马人在制作一种杰出的建筑材料上付出了如此多的努力，遵循了经过几个世纪优化的所有详细配方，” Masic继续说道，“为什么他们不花些努力来确保生产出一种混合良好的最终产品？这个故事还需要更多的解释。”

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从历史上看，根据Masic和其他研究人员的说法，专家们曾认为像万神庙这样的建筑结构的秘密成分与一种叫做火山灰的物质有关。奇怪的是，火山灰物质来源于那不勒斯湾波佐利地区的火山灰。

当时的建筑师痴迷于这种材料，甚至把它运到罗马帝国，供建筑工人组装重要的财产。

但在更详细地检查了古代混凝土样本后，Masic观察到了内部存在所谓的石灰碎屑。需要注意的是，石灰碎屑并不容易制造。它们不是其他化学过程的随机副产品。该团队解释说，如果你需要它，那你必须进行创造。

或者更具体地说，你必须在超高温下将混凝土与石灰混合，以获得一些石灰碎屑装饰物。毫无疑问，通过进一步分析，研究小组发现了古代混凝土样本中（极其）热混合的证据。罗马人真的很想要使用石灰碎屑。

此外，“热混合的好处是双重的，”Masic说，就一般结构而言。

首先，当混凝土被加热到高温时，它会产生化合物，如果你只使用熟石灰——这是指非热混合石灰——你就得不到这种化合物。第二，在建造结构时，升高的温度显著减少了所谓的“固化”和凝固时间。这是因为热加速了反应，而加速的反应意味着更快的构造。

此外，“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，而且可以提高3D打印混凝土配方的耐久性，这令人兴奋，”Masic说。

Admir Masic and fellow researchers.

基本上，在热拌过程中，石灰碎屑在混凝土中形成一种特殊的图案，并形成所谓的活性钙源。这意味着，如果形成微小的裂缝，这些裂缝很有可能沿着细小的石灰碎屑模式移动。然后，如果水进入裂缝，钙源会发生一系列反应，简单来说，裂缝会被钙源自身的再结晶版本填满。

为了证实他们的假设，研究人员还对此进行了测试。第一步是通过热拌制混凝土，确保石灰碎屑的存在。第二步：制造一些裂缝。第三步：让水穿过裂缝。结果，不到两个星期，他们发现裂缝已经完全愈合，水再也不能流动了。

然而，罗马建筑神秘而神奇的材料可能远不止石灰碎屑。例如，2021年10月，麻省理工学院（MIT）的另一项研究也由Masic进行。该研究发现，一座2050年前的罗马陵墓的墙壁上有许多神奇的火山灰，并注意到，由于这些火山灰，“雨水和地下水（积累）了两千多年”，因此发生了“不寻常的化学反应”。

这些相互作用显然有助于混凝土的凝聚力。然而，这项研究将这一发现与钾衍生物尤其是石灰碎屑联系起来。

Masic在关于2021年研究的新闻稿中表示：“了解古代材料的形成和过程，可以为研究人员提供新的方法，为未来创造耐用、可持续的建筑材料。Caecilia Metella墓是现存最古老的建筑之一，提供了启发现代建筑的见解。”

目前，该团队正致力于将他们刚刚制作的自愈混凝土混合物商业化。