古羅馬混凝土為何經(jīng)歷千年依然耐用？

古羅馬混凝土的千年之謎

混凝土是古羅馬帝國的基石。它不僅推動(dòng)了羅馬那場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的建筑革命，還用于建造了眾多建筑、橋梁和渡槽。這些結(jié)構(gòu)中的許多至今仍在使用，距今已有2000多年。為何古羅馬混凝土?xí)稳绱私?jīng)久耐用？

近十年來，物理化學(xué)家Admir Masic一直致力于研究羅馬混凝土的化學(xué)成分，以解釋為何眾多古羅馬著名建筑遠(yuǎn)比現(xiàn)代的同類結(jié)構(gòu)更為耐久。在2023年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，他與合作者通過進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，推斷出了賦予羅馬混凝土超長(zhǎng)耐久性的制作工藝。

當(dāng)時(shí)，那項(xiàng)研究的樣本取自意大利西南部普里韋爾諾（Priverno）的一段古城墻。這座古城于公元前4世紀(jì)被羅馬征服。但一個(gè)問題在于：這一城墻樣本是否足以代表羅馬帝國時(shí)期建造的其他混凝土結(jié)構(gòu)。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然·通訊》雜志的研究中，Masic團(tuán)隊(duì)通過對(duì)龐貝古城一處新發(fā)現(xiàn)的建筑遺址進(jìn)行取樣分析，證實(shí)了他們此前所提出的制作工藝。

熱拌工藝 vs 維特魯威的記載

回到2023年的研究中，研究人員重點(diǎn)關(guān)注了古羅馬砂漿中普遍存在且十分顯眼的白色礦物顆粒——石灰碎屑（lime clasts）。他們?cè)谡撐闹忻枋隽艘环N能賦予混凝土耐久性的制作過程：在加水之前，先將石灰碎塊與火山灰等干性原材料混合。一旦水被加入了干性混合物中，砂漿就中就會(huì)產(chǎn)生熱量。隨著混凝土的凝固，這一“熱拌”過程就會(huì)將石灰碎屑固定并保存下來。當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，這些石灰碎屑會(huì)重新溶解并填充裂縫，從而賦予混凝土自我修復(fù)的特性。

但這引發(fā)了一個(gè)問題：Masic團(tuán)隊(duì)所描述的制作工藝，與古羅馬著名建筑師維特魯威（Marcus Vitruvius Pollio）所記載的并不一致。維特魯威堪稱古代建筑理論的奠基人，他所著的《建筑十書》（De architectura）寫于公元前1世紀(jì)，是迄今已知最早的建筑理論著作，影響極為深遠(yuǎn)。書中提到，羅馬人制作混凝土?xí)r，會(huì)先將石灰與水拌成膏狀，再與其他材料混合。

這讓Masic很沮喪，他表示：“維特魯威是我非常尊重的學(xué)者，因此很難直接質(zhì)疑其記述的準(zhǔn)確性……正是他的著作激發(fā)了我對(duì)古羅馬建筑的濃厚興趣，而我的研究結(jié)果卻與這些重要的歷史文獻(xiàn)相悖。”

難道，Masic及其團(tuán)隊(duì)的推論錯(cuò)了？

被時(shí)間封存的古代工地

最近，考古學(xué)家在龐貝發(fā)現(xiàn)了一處保存完好的古代建筑工地遺址，其中包含建筑原材料堆和施工工具，這為進(jìn)行進(jìn)一步研究提供了前所未有的契機(jī)。Masic表示，當(dāng)他首次踏入這處龐貝遺址，目睹保存完好的工作場(chǎng)景時(shí)，不禁熱淚盈眶。他回憶道：“那一刻，我仿佛看到古羅馬工人手持工具在料堆間穿梭。場(chǎng)景如此鮮活，猶如穿越時(shí)空。”

公元79年，維蘇威火山的噴發(fā)摧毀了龐貝，卻也奇跡般地保存了這個(gè)城市正在進(jìn)行的所有建筑活動(dòng)。對(duì)于研究古羅馬混凝土技術(shù)而言，這場(chǎng)災(zāi)難創(chuàng)造了一座“被時(shí)間封存的工地”。與大多數(shù)只剩碎片的遺址不同，龐貝的施工材料、工具、砂漿層都被完整埋藏，并帶有精準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)記。這使研究人員能夠直接看到羅馬工匠在當(dāng)年究竟是如何配制和使用混凝土的，而不再只依靠古代文獻(xiàn)推測(cè)。

在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)分析了多種樣本：預(yù)拌干料堆、施工中的墻體、已完成的扶壁與結(jié)構(gòu)墻，以及既有墻體的修補(bǔ)砂漿。

這個(gè)遺址中的樣本，為羅馬人使用熱拌工藝提供了最清晰的證據(jù)：混凝土樣本中不僅含有Masic在之前一篇論文中所述的石灰碎屑，研究團(tuán)隊(duì)還在干料堆中發(fā)現(xiàn)了與其他成分預(yù)拌的完整生石灰碎塊——這正是制備熱拌混凝土關(guān)鍵的第一步。

通過穩(wěn)定同位素研究，他們追蹤了這些關(guān)鍵的碳化反應(yīng)隨時(shí)間推移的變化，從而區(qū)分了熱拌石灰與維特魯威所記載的熟石灰。分析結(jié)果表明，羅馬人制作膠凝材料時(shí)，會(huì)先將煅燒石灰石（生石灰）研磨至特定顆粒大小，然后將其與火山灰干混，最后再加水形成膠凝基質(zhì)。

研究人員還分析了混凝土中的火山灰的成分，包括一種稱為浮石（pumice）的火山灰。他們意外發(fā)現(xiàn)，浮石顆粒會(huì)隨時(shí)間與周圍孔隙液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的礦物沉積，從而進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。

重寫歷史

這些發(fā)現(xiàn)具有重要意義，因?yàn)榱_馬混凝土耐久、自愈且屬于動(dòng)態(tài)體系。火山質(zhì)成分中的孔隙可通過再結(jié)晶被填充，這是一種理想的過程，研究人員希望將其應(yīng)用到現(xiàn)代材料中。

至于維特魯威的記載，Masic推測(cè)可能存在誤讀。他指出，維特魯威在描述水泥攪拌過程時(shí)也提及了“潛熱”現(xiàn)象，這或許暗示其所指的正是熱拌工藝。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/pompeii-offers-insights-ancient-roman-building-technology-1209

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66634-7

#圖片來源：

封面圖&首圖：Archaeological Park of Pompeii