罗马贵族女性墓地揭示古代混凝土的秘密

2020年，科学家们分析了位于罗马的Caecilia Metella墓地的古代混凝土样本，研究结果于10月发表在《美国陶瓷学会杂志》上。这座墓地位于阿庇亚大道，已有2000年历史，是罗马贵族女性Caecilia Metella的陵墓。她的墓地在历史上备受尊敬，甚至连诗人拜伦都在其史诗《恰尔德·哈罗尔德游记》中提及。

古代罗马混凝土的组成与特性

古代罗马混凝土与现代波特兰水泥类似，主要由半液态砂浆和骨料组成。波特兰水泥通过加热石灰石和粘土制成，而罗马混凝土的骨料则由拳头大小的石块或砖块组成。罗马建筑师维特鲁威在其著作《建筑十书》中描述了如何建造耐久性强的混凝土墙，建议使用火山岩和火山灰作为骨料，并结合水合石灰和多孔玻璃碎片。

混凝土的耐久性研究

科学家Marie Jackson多年来一直研究古代罗马混凝土的独特性质。她与同事分析了罗马图拉真市场的混凝土，发现其中的钙铝硅酸盐水合物（C-A-S-H）和stratlite晶体能够阻止微裂纹的形成和扩展。2017年，Jackson还研究了意大利地中海沿岸的海堤混凝土，发现海水中的化学反应生成了铝托贝莫石晶体，进一步增强了混凝土的耐久性。

Caecilia Metella墓地的混凝土分析

Jackson于2006年访问了Caecilia Metella墓地，并采集了砂浆样本进行分析。墓地的混凝土结构与图拉真市场类似，使用了火山灰和火山岩骨料。然而，墓地砂浆中的钾长石含量较高，随着时间的推移，雨水和地下水溶解了钾长石，释放出钾离子。虽然这在现代混凝土中会导致微裂纹和结构劣化，但墓地混凝土并未出现这种情况。

混凝土的长期演变与强化

研究发现，墓地混凝土中的钾离子溶解后重新配置了C-A-S-H结合相，部分区域在2000多年后仍保持完好，而其他区域则出现了一些分裂迹象。这种长期的演变过程增强了混凝土的机械性能和抗破坏能力。

对现代混凝土的启示

科学家们希望通过研究古代罗马混凝土的矿物和化合物组合，找到替代火山岩的材料（如煤灰），从而减少混凝土生产中的能源消耗，并显著延长现代混凝土结构的使用寿命。通过借鉴罗马混凝土的智慧，设计具有不断强化界面区域的现代混凝土，可能为改善现代建筑材料的耐久性提供新的策略。

DOI: Journal of the American Ceramic Society, 2021. 10.1111/jace.18133