澎湃新聞記者 賀梨萍

混凝土已經是最主要的土木工程材料之一，其價格低廉、工藝簡單，然而瑕疵在于，在使用幾十年後它會開始開裂和破碎。但科學家們注意到，很多的羅馬建築并沒有如此。

環境會破壞現代的混凝土，這些羅馬建築的結構卻仍然屹立不倒，表現出非凡的耐久性。古羅馬貴族女性Caecilia Metella的大型圓柱形墓穴是其中一個典型。

美國麻省理工學院學院、勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）、猶他大學的4名研究人員近日在國際陶瓷領域權威期刊、美國陶瓷學會會刊Journal of the American Ceramic Society上的一項研究表明, Caecilia Metella墳墓混凝土的質量可能超過同時期男性的紀念碑。他們提出，這種高質量源于建造者選擇的火山聚集物以及與雨水和地下水之間不尋常的化學作用，這些化學作用累積了兩千多年。

該研究的通訊作者是麻省理工學院土木與環境工程副教授Admir Masic和猶他大學地質學與地球物理學研究副教授Marie Jackson，他們的合作旨在了解古代混凝土結構的礦物成分。

“了解古代材料的形成和過程可以為研究人員提供未來創造耐用、可持續建築材料的新方法。”Masic表示，“Caecilia Metella墓穴是仍然存在的最古老的建築之一，為現代建築提供了啟發。”

Caecilia Metella墓穴是最著名的古羅馬大道阿庇亞大道（Appian Way）上的重要景點和地标。它有一個圓筒形的塔，坐落在一個正方形的底座上，總共約70英尺(21米)高，直徑為100英尺(29米)。這座墓穴建于公元前30年左右，處于羅馬共和國向羅馬帝國的轉變之際。Caecilia Metella本人出身于貴族家庭，她嫁給了克拉蘇家族（Marcus Crassus），後者與凱撒（Julius Caesar）和龐培（Pompey）結成了著名的“前三頭同盟”。

研究人員提到，這一墓穴是羅馬共和國晚期混凝土建築技術的一個典範。該技術被古羅馬禦用建築師維特魯威（Marcus Vitruvius Pollio）記載描述，用粗磚或火山岩骨料與石灰和火山熔岩(火山爆發産生的玻璃和晶體的多孔碎片)制成的灰漿結合在一起建造厚牆，就會使得建築“經過長時間的流逝不會變成廢墟”。

然而，古羅馬人不知道的是，火山骨料中富含鉀的白榴石晶體是如何随着時間的推移而溶解的，從而有益地重塑和重組火山骨料和膠凝基質之間的界面，提高混凝土的凝聚力。

“專注于設計不斷增強界面區域的現代混凝土，可能為我們提供另一種策略，以提高現代建築材料的耐久性。”Masic說，“通過整合經過時間驗證的‘羅馬智慧’來做到這一點，提供了一個可持續的戰略，可以将我們的現代解決方案的壽命提高幾個數量級。”

Masic實驗室的博士生Linda Seymour研究了混凝土的微觀結構。“我們使用的每一種工具都為砂漿的制作過程提供了線索。”Seymour提到，掃描電子顯微鏡（SEM）顯示了砂漿砌塊在微米級的微觀結構，能量色散X射線光譜分析（EDS）顯示了構成這些組成部分的元素。

研究分析顯示，在Caecilia Metella墓穴的厚混凝土牆中，一種含有火山熔岩的砂漿将大塊的磚塊和熔岩聚集物結合在一起。它與120年後修建的另一古羅馬時代的遺迹圖拉真市場使用的砂漿相似。圖拉真砂漿的黏合劑由一種叫做C-A-S-H結合相(鈣-鋁-矽酸鹽-水合物)的砌塊組成，還有一種叫做strätlingite的礦物晶體。

但羅馬人用于Caecilia Metella墓穴的砂漿的火山熔岩中富含鉀。幾個世紀以來，雨水和地下水滲入墳墓的牆壁，溶解了白榴石，釋放出鉀到砂漿中。在現代混凝土中，大量的鉀會産生膨脹的凝膠，這會導緻微裂并最終破壞結構。然而，在Caecilia Metella墓穴中，鉀溶解并重新配置了C-A-S-H結合相。

Jackson說，經過上述重塑“顯然在混凝土中産生了堅固的内聚成分”。在這些結構中，不像圖拉真市場，幾乎沒有形成strätlingite。負責這座墓穴的考古學家Stefano Roascio指出，這項研究對理解其他使用Pozzolane Rosse骨料的古代混凝土結構有很大的意義。

“任何混凝土的骨料和砂漿之間的界面是結構耐久性的基礎。”Masic說，“在現代混凝土中，形成膨脹凝膠的堿矽反應可能會破壞即使是最硬化的混凝土的界面。”所謂的堿矽反應也叫堿骨料反應（ASR），是指當水泥的堿性過強時，骨料中的活性矽成分(SiO2)與堿發生反應生成矽酸鹽，引起混凝土的不均勻膨脹，導緻開裂破壞。

“事實證明，Caecilia Metella古墓的古羅馬混凝土界面是通過長期的重塑而不斷演變的。”Masic說，“這些改造過程加強了界面區域，可能有助于提高機械性能和抵抗古代材料的破壞。”

責任編輯：李躍群

校對：張豔

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