混凝土已經(jīng)是最主要的土木工程材料之一，其價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單，然而瑕疵在于，在使用幾十年后它會(huì)開(kāi)始開(kāi)裂和破碎。但科學(xué)家們注意到，很多的羅馬建筑并沒(méi)有如此。

環(huán)境會(huì)破壞現(xiàn)代的混凝土，這些羅馬建筑的結(jié)構(gòu)卻仍然屹立不倒，表現(xiàn)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(gè)典型。

美國(guó)麻省理工學(xué)院、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）、猶他大學(xué)的4名研究人員近日在國(guó)際陶瓷領(lǐng)域權(quán)威期刊、美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)會(huì)刊Journal of the American Ceramic Society上的一項(xiàng)研究表明, Caecilia Metella墳?zāi)够炷恋馁|(zhì)量可能超過(guò)同時(shí)期男性的紀(jì)念碑。他們提出，這種高質(zhì)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(xué)作用，這些化學(xué)作用累積了兩千多年。

該研究的通訊作者是麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程副教授Admir Masic和猶他大學(xué)地質(zhì)學(xué)與地球物理學(xué)研究副教授Marie Jackson，他們的合作旨在了解古代混凝土結(jié)構(gòu)的礦物成分。

“了解古代材料的形成和過(guò)程可以為研究人員提供未來(lái)創(chuàng)造耐用、可持續(xù)建筑材料的新方法。”Masic表示，“Caecilia Metella墓穴是仍然存在的最古老的建筑之一，為現(xiàn)代建筑提供了啟發(fā)?！?/p>

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(diǎn)和地標(biāo)。它有一個(gè)圓筒形的塔，坐落在一個(gè)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(guó)向羅馬帝國(guó)的轉(zhuǎn)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），后者與凱撒（Julius Caesar）和龐培（Pompey）結(jié)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(guó)晚期混凝土建筑技術(shù)的一個(gè)典范。該技術(shù)被古羅馬御用建筑師維特魯威（Marcus Vitruvius Pollio）記載描述，用粗磚或火山巖骨料與石灰和火山熔巖(火山爆發(fā)產(chǎn)生的玻璃和晶體的多孔碎片)制成的灰漿結(jié)合在一起建造厚墻，就會(huì)使得建筑“經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的流逝不會(huì)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隨著時(shí)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(zhì)之間的界面，提高混凝土的凝聚力。

 “專注于設(shè)計(jì)不斷增強(qiáng)界面區(qū)域的現(xiàn)代混凝土，可能為我們提供另一種策略，以提高現(xiàn)代建筑材料的耐久性?！盡asic說(shuō)，“通過(guò)整合經(jīng)過(guò)時(shí)間驗(yàn)證的‘羅馬智慧’來(lái)做到這一點(diǎn)，提供了一個(gè)可持續(xù)的戰(zhàn)略，可以將我們的現(xiàn)代解決方案的壽命提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。”

Masic實(shí)驗(yàn)室的博士生Linda Seymour研究了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)?！拔覀兪褂玫拿恳环N工具都為砂漿的制作過(guò)程提供了線索?！盨eymour提到，掃描電子顯微鏡（SEM）顯示了砂漿砌塊在微米級(jí)的微觀結(jié)構(gòu)，能量色散X射線光譜分析（EDS）顯示了構(gòu)成這些組成部分的元素。

研究分析顯示，在Caecilia Metella墓穴的厚混凝土墻中，一種含有火山熔巖的砂漿將大塊的磚塊和熔巖聚集物結(jié)合在一起。它與120年后修建的另一古羅馬時(shí)代的遺跡圖拉真市場(chǎng)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(jié)合相(鈣-鋁-硅酸鹽-水合物)的砌塊組成，還有一種叫做str?tlingite的礦物晶體。

但羅馬人用于Caecilia Metella墓穴的砂漿的火山熔巖中富含鉀。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，雨水和地下水滲入墳?zāi)沟膲Ρ?，溶解了白榴石，釋放出鉀到砂漿中。在現(xiàn)代混凝土中，大量的鉀會(huì)產(chǎn)生膨脹的凝膠，這會(huì)導(dǎo)致微裂并最終破壞結(jié)構(gòu)。然而，在Caecilia Metella墓穴中，鉀溶解并重新配置了C-A-S-H結(jié)合相。

Jackson說(shuō)，經(jīng)過(guò)上述重塑“顯然在混凝土中產(chǎn)生了堅(jiān)固的內(nèi)聚成分”。在這些結(jié)構(gòu)中，不像圖拉真市場(chǎng)，幾乎沒(méi)有形成str?tlingite。負(fù)責(zé)這座墓穴的考古學(xué)家Stefano Roascio指出，這項(xiàng)研究對(duì)理解其他使用Pozzolane Rosse骨料的古代混凝土結(jié)構(gòu)有很大的意義。

“任何混凝土的骨料和砂漿之間的界面是結(jié)構(gòu)耐久性的基礎(chǔ)?！盡asic說(shuō)，“在現(xiàn)代混凝土中，形成膨脹凝膠的堿硅反應(yīng)可能會(huì)破壞即使是最硬化的混凝土的界面。”所謂的堿硅反應(yīng)也叫堿骨料反應(yīng)（ASR），是指當(dāng)水泥的堿性過(guò)強(qiáng)時(shí)，骨料中的活性硅成分(SiO2)與堿發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鹽，引起混凝土的不均勻膨脹，導(dǎo)致開(kāi)裂破壞。

“事實(shí)證明，Caecilia Metella古墓的古羅馬混凝土界面是通過(guò)長(zhǎng)期的重塑而不斷演變的。”Masic說(shuō)，“這些改造過(guò)程加強(qiáng)了界面區(qū)域，可能有助于提高機(jī)械性能和抵抗古代材料的破壞。”