罗马混凝土是如何延续千年的？ 1,900 年历史的厕所提供线索

Canopus 是意大利蒂沃利哈德良别墅的一个游泳池 Carole Raddato，来自 Flickr，采用 CC BY-SA 2.0 古罗马基础设施，经受住了时间的考验。今天，你可以漫步在意大利，看到已经存在了大约两千年的混凝土建筑、道路和渡槽。另一方面，现代混凝土通常会在大约 100 年内崩塌。长期以来，科学家们一直试图揭开罗马混凝土耐久性的秘密。多年来，他们认为它的长寿归功于一个关键的化学过程：火山灰反应，当火山灰与化学石灰和水发生反应时就会发生这种反应。虽然这一点仍然成立，但故事似乎还有更多内容。事实证明，另一种称为碳化的化学反应也可能有助于延长罗马混凝土的使用寿命。该研究结果发表在 7 月 8 日的《科学进展》杂志上，可以帮助研究人员开发更具可持续性和弹性的混凝土材料。为了开展这项新工作，研究人员前往了拥有 1,900 年历史的哈德良别墅，该别墅被联合国教科文组织列为世界遗产，位于罗马以东约 17 英里处。这座庞大的庄园是一个建筑奇迹，但其科学瑰宝之一是公共厕所。它们提供了前所未有的机会来研究未经现代人改造的原始状态的罗马混凝土。 “没有人修复厕所，”研究合著者、加州大学伯克利分校的土木工程师保罗·J·M·蒙泰罗 (Paulo J. M. Monteiro) 对《科学美国人》的萨姆·麦克唐纳 (Sam Macdonald) 说道。 “因此，这些材料在 19 个世纪里不受干扰地静静地进行着一项没有人能够开始的实验。”需要知道：哈德良是谁？哈德良是公元 117 至 138 年间的罗马皇帝。他因在英格兰北部修建了一堵名为哈德良长城的城墙而闻名，这座城墙旨在保护罗马不列颠尼亚行省免受邻国（即现在的苏格兰）的侵害。蒙泰罗和他的同事从马桶座圈下面采集了混凝土样本。回到实验室，他们在高倍显微镜下对其进行了检查，用 X 射线扫描并分析了其化学成分。正如预期的那样，样本中包含的证据表明火山灰、石灰和水已经结合形成了这种材料。然而，仔细观察混凝土的孔隙和裂缝发现，方解石（一种含有钙、碳和氧的矿物质）是主要的粘合剂。当大气中的二氧化碳与混凝土中的钙化合物发生反应时，会形成坚硬的矿物方解石，其中含有大量的化合物碳酸钙。这种矿物填充了混凝土中的小裂缝和孔隙，使古老的结构随着时间的推移而变得坚固和愈合。蒙泰罗在一份声明中说：“虽然火山灰反应至关重要，但我们的研究结果表明，长期的碳化也可以增强混凝土的耐久性，并有助于其随着老化而密封裂缝。”这项工作建立在 2023 年发表的一项研究的基础上，该研究表明罗马混凝土可以自行修复裂缝，因为它是通过涉及生石灰（石灰石的一种形式）的化学反应而产生的，生石灰在材料中留下了富含钙的沉积物。这些沉积物可能会与水（例如雨水）发生反应，并重新结晶以填充任何间隙。随着这项新研究的开展，碳酸盐已成为人们关注的焦点。麻省理工学院材料科学家阿德米尔·马西克 (Admir Masic) 向《科学美国人》表示，这项研究“强化了这样的观点，即碳酸盐在这些系统中更具活力，并且发挥着基础性作用，而不是边缘性作用。”他是 2023 年研究的共同作者，但并未参与这项新工作。蒙泰罗和他的同事希望，通过了解罗马混凝土的工作原理，现代专家可以建造对环境影响较小的混凝土。混凝土是世界上消耗量最大的材料之一，但其生产过程会排放大量的吸热二氧化碳，约占全球排放量的 8%。据联合国称，到 2050 年，大约一半的建筑物尚未建成，因此开发减少碳足迹的建筑材料非常重要。 “这项研究表明探索古代工程技术如何能够带来重要的启示，”蒙泰罗在声明中说。 “我们希望通过解开罗马的秘密来提高混凝土的耐久性，我们有一天能够实现可持续的现代基础设施发展。”你可能也喜欢“自愈”混凝土可能保存了古罗马结构 2023年1月9日 为什么万神殿没有倒塌 2014年12月16日 为什么古罗马混凝土如此坚固 2017年7月5日 雅典正在恢复一条有2000年历史的罗马渡槽，以在长期干旱的情况下向城市供水 7月22日， 2025 庞贝古城遗址中的这座古老建筑工地正在揭示有关 2000 年历史的罗马混凝土配方的新秘密 2025 年 12 月 12 日 Sara Hashemi |了解更多 萨拉·哈希米 (Sara Hashemi) 是一位科普作家和事实核查员，目前居住在纽约市。她的作品出现在我