古罗马人是建筑大师和工程师，其中最著名的也许就是至今仍发挥作用的渡槽。这些建筑奇迹依赖于一种独特的建筑材料：火山灰混凝土，这是一种极其耐用的材料，赋予了罗马建筑令人难以置信的强度。
即使在今天，他们的建筑之一——万神殿仍然完好无损，已有近 2,000 年的历史——仍然保持着世界上最大的无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，一种火山灰的混合物（以意大利城市波佐利命名，在那里可以找到大量的火山灰矿床）和石灰。当与水混合时，两种材料可以发生反应，生成坚固的混凝土。
但事实证明，这并不是故事的全部。由麻省理工学院 (MIT) 领导的一个国际研究小组发现，这些材料不仅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，但麻省理工学院的材料科学家阿德米尔·马西奇认为这没有意义。
马西克在 2023 年 1 月的一份声明中表示：“将这些石灰碎屑的存在仅仅归因于质量控制低下的想法一直困扰着我。”
“如果罗马人投入如此多的精力来制造一种出色的建筑材料，遵循多个世纪以来优化的所有详细配方，为什么他们会花那么少的精力来确保生产出混合良好的最终产品？这个故事一定还有更多内容。”
Masic 和麻省理工学院土木工程师 Linda Seymour 领导的团队仔细研究了来自意大利普里弗努姆考古遗址的 2000 年前的罗马混凝土样本。对这些样品进行了大面积扫描电子显微镜、能量色散 X 射线光谱、粉末 X 射线衍射和共焦拉曼成像，以更好地了解石灰碎屑。
需要考虑的问题之一是所用石灰的性质。对火山灰混凝土的标准理解是它使用熟石灰。首先，石灰石在高温下加热，产生一种高反应性的腐蚀性粉末，称为生石灰或氧化钙。
将生石灰与水混合会产生熟石灰或氢氧化钙：一种活性稍低、腐蚀性较小的糊状物。根据理论，古罗马人将这种熟石灰与火山灰混合。
根据团队的分析，他们样品中的石灰碎屑与该方法不一致。相反，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，单独或与熟石灰一起混合，该团队将这一过程称为“热混合”，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，它会产生仅使用熟石灰时不可能发生的化学反应，产生原本不会形成的高温相关化合物。其次，这种升高的温度显着减少了固化和凝固因为所有反应都加速了，从而可以更快地进行施工。”
它还有另一个好处：石灰碎屑赋予混凝土卓越的自愈能力。
当混凝土中形成裂缝时，它们优先传播到石灰碎屑，石灰碎屑比基质中的其他颗粒具有更高的表面积。当水进入裂缝时，它会与石灰发生反应，形成富含钙的溶液，该溶液干燥并硬化为碳酸钙，将裂缝重新粘在一起并防止其进一步扩散。
在另一个有 2000 年历史的遗址——Caecilia Metella 墓——的混凝土中也观察到了这一点，那里的混凝土裂缝已被方解石填充。它还可以解释为什么 2000 年前建造的罗马混凝土海堤在海洋的不断侵蚀下仍完好无损地保存了数千年。
因此，研究小组通过使用生石灰根据古代和现代配方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测试。果然，开裂的生石灰混凝土在两周内完全愈合，但对照混凝土仍然开裂。
该团队目前正致力于将其混凝土商业化，作为当前混凝土的更环保的替代品。
Masic 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用性，真是令人兴奋。”
该研究已发表在《科学进展》上。