古罗马混凝土为何越老越坚固？科学家揭开千年秘密

哈德良别墅（图片来源：FrDr/wikimedia/CC BY-SA 4.0）

据《ScienceAlert》报道，古罗马建筑历经千年风雨依然屹立不倒，长期以来都是建筑学和材料科学领域的一大谜题。最新发表于国际期刊《科学进展》（Science Advances）的研究发现，除了此前广为人知的火山灰化学反应外，空气中的二氧化碳经过数百上千年的缓慢作用，同样是古罗马混凝土越“老”越坚固的重要原因。这项发现不仅进一步揭示了古罗马工程技术的奥秘，也可能为开发更耐久、更环保的现代混凝土提供新的思路。

火山灰之外 科学家发现另一项关键机制

过去数十年来，科学界普遍认为，古罗马混凝土之所以拥有惊人的耐久性，主要得益于一种名为“火山灰反应”（pozzolanic reaction）的化学过程。古罗马人在石灰中掺入富含硅、铝成分的火山灰（pozzolan），两者反应后形成稳定的矿物结构，使混凝土具有极高的强度和抗侵蚀能力。

不过，由美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）工程学教授保罗·蒙泰罗（Paulo Monteiro）与北京工业大学（Beijing University of Technology）教授朱晓红（Xiaohong Zhu）共同领导的研究团队发现，这只是古罗马混凝土长寿命秘密的一部分。

研究显示，在漫长岁月中，空气中的二氧化碳不断渗入混凝土，与内部残留的石灰发生缓慢反应，逐渐生成大量方解石（calcite）晶体。这些晶体不断填充混凝土中的微小孔隙和裂缝，使内部结构愈发致密，并阻止裂缝进一步扩展，从而让混凝土随着时间推移反而变得更加坚固。

蒙泰罗表示，火山灰反应仍然是古罗马混凝土耐久性的基础，但研究表明，长期碳化作用（carbonation）同样能够提高混凝土的耐久性，并帮助其在老化过程中逐步封闭裂纹。

一块古罗马厕所混凝土 揭开千年工程之谜

与许多人想象不同，此次研究样本并非来自举世闻名的万神殿（Pantheon），而是取自意大利蒂沃利（Tivoli）哈德良别墅（Hadrian's Villa，又称Villa Adriana）内一座建于公元2世纪的公共厕所。

研究团队利用高分辨率电子显微镜、X射线断层扫描等多种先进分析技术，对这块古老混凝土进行了纳米尺度研究，首次完整绘制出其内部矿物结构的三维分布。

研究人员发现，方解石并非混凝土老化过程中产生的普通副产品，而是在数百年的碳化过程中持续结晶，在裂缝、孔洞及矿物颗粒之间形成天然“胶结层”，不仅提高了整体密度，也减少了水分及其他有害物质继续渗透，对混凝土起到了长期保护作用。

《Phys.org》指出，过去虽然已有研究发现罗马混凝土中存在方解石，但此次研究首次系统分析了这些矿物在三维空间中的分布方式，进一步证实其对材料长期耐久性具有重要贡献。

与MIT发现相呼应 “自我修复”机制逐渐完整

事实上，近年来科学家一直在持续破解古罗马混凝土的秘密。

2023年，美国麻省理工学院（MIT）曾发表研究指出，罗马混凝土中存在大量石灰团块（lime clasts），当雨水渗入裂缝时，这些石灰会重新发生化学反应，生成新的碳酸钙，从而实现类似“自我修复”的效果。

此次最新研究，则进一步完善了这一理论框架。研究团队认为，即使没有新的裂缝出现，空气中的二氧化碳仍会持续与石灰发生碳化反应，不断形成新的方解石晶体，对混凝土进行长期加固。因此，古罗马混凝土并非静止不变，而是一种能够持续发生矿物演化的建筑材料。

研究人员认为，这意味着古罗马工程师无意中创造了一种能够伴随岁月不断优化自身结构的混凝土，其耐久性远超现代普通混凝土。

为低碳建筑提供启发 但现代工程仍无法照搬

从拥有全球最大无钢筋混凝土穹顶的罗马万神殿，到哈德良别墅内不起眼的公共厕所，大量古罗马建筑至今依然保存良好，充分体现了当时工程技术的先进水平。

不过，研究人员强调，现代建筑无法简单复制古罗马混凝土配方。如今的大型桥梁、高层建筑和基础设施普遍采用钢筋混凝土，而钢筋锈蚀是现代建筑面临的重要问题，这是古罗马工程师当年无需考虑的挑战。

尽管如此，研究团队认为，深入理解古罗马混凝土中火山灰反应与长期碳化作用如何协同增强材料性能，将有助于研发更加耐久、维修成本更低、碳排放更少的新一代建筑材料。

加州大学伯克利分校在新闻稿中指出，建筑业是全球碳排放的重要来源之一。如果能够借鉴古罗马混凝土的长期矿物演化机制，未来有望开发寿命更长、更加可持续的低碳混凝土，减少建筑物维修和重建频率，从而降低整个行业的环境负担。

蒙泰罗表示，探索古代工程技术往往能够带来意想不到的科学启发，希望通过破解古罗马混凝土耐久性的秘密，最终推动现代基础设施迈向更加可持续的发展。