混凝土建筑如何经久不裂？屹立了2050年的罗马古墓有线索

混凝土已经是最主要的土木工程材料之一，其价格低廉、工艺简单，然而瑕疵在于，在使用几十年后它会开始开裂和破碎。但科学家们注意到，很多的罗马建筑并没有如此。

环境会破坏现代的混凝土，这些罗马建筑的结构却仍然屹立不倒，表现出非凡的耐久性。古罗马贵族女性Caecilia Metella的大型圆柱形墓穴是其中一个典型。

美国麻省理工学院学院、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、犹他大学的4名研究人员近日在国际陶瓷领域权威期刊、美国陶瓷学会会刊Journal of the American Ceramic Society上的一项研究表明, Caecilia Metella坟墓混凝土的质量可能超过同时期男性的纪念碑。他们提出，这种高质量源于建造者选择的火山聚集物以及与雨水和地下水之间不寻常的化学作用，这些化学作用累积了两千多年。

该研究的通讯作者是麻省理工学院土木与环境工程副教授Admir Masic和犹他大学地质学与地球物理学研究副教授Marie Jackson，他们的合作旨在了解古代混凝土结构的矿物成分。

“了解古代材料的形成和过程可以为研究人员提供未来创造耐用、可持续建筑材料的新方法。”Masic表示，“Caecilia Metella墓穴是仍然存在的最古老的建筑之一，为现代建筑提供了启发。”

Caecilia Metella墓穴是最著名的古罗马大道阿庇亚大道（Appian Way）上的重要景点和地标。它有一个圆筒形的塔，坐落在一个正方形的底座上，总共约70英尺(21米)高，直径为100英尺(29米)。这座墓穴建于公元前30年左右，处于罗马共和国向罗马帝国的转变之际。Caecilia Metella本人出身于贵族家庭，她嫁给了克拉苏家族（Marcus Crassus），后者与凯撒（Julius Caesar）和庞培（Pompey）结成了著名的“前三头同盟”。

研究人员提到，这一墓穴是罗马共和国晚期混凝土建筑技术的一个典范。该技术被古罗马御用建筑师维特鲁威（Marcus Vitruvius Pollio）记载描述，用粗砖或火山岩骨料与石灰和火山熔岩(火山爆发产生的玻璃和晶体的多孔碎片)制成的灰浆结合在一起建造厚墙，就会使得建筑“经过长时间的流逝不会变成废墟”。

然而，古罗马人不知道的是，火山骨料中富含钾的白榴石晶体是如何随着时间的推移而溶解的，从而有益地重塑和重组火山骨料和胶凝基质之间的界面，提高混凝土的凝聚力。

“专注于设计不断增强界面区域的现代混凝土，可能为我们提供另一种策略，以提高现代建筑材料的耐久性。”Masic说，“通过整合经过时间验证的‘罗马智慧’来做到这一点，提供了一个可持续的战略，可以将我们的现代解决方案的寿命提高几个数量级。”

Masic实验室的博士生Linda Seymour研究了混凝土的微观结构。“我们使用的每一种工具都为砂浆的制作过程提供了线索。”Seymour提到，扫描电子显微镜（SEM）显示了砂浆砌块在微米级的微观结构，能量色散X射线光谱分析（EDS）显示了构成这些组成部分的元素。

研究分析显示，在Caecilia Metella墓穴的厚混凝土墙中，一种含有火山熔岩的砂浆将大块的砖块和熔岩聚集物结合在一起。它与120年后修建的另一古罗马时代的遗迹图拉真市场使用的砂浆相似。图拉真砂浆的黏合剂由一种叫做C-A-S-H结合相(钙-铝-硅酸盐-水合物)的砌块组成，还有一种叫做strätlingite的矿物晶体。

但罗马人用于Caecilia Metella墓穴的砂浆的火山熔岩中富含钾。几个世纪以来，雨水和地下水渗入坟墓的墙壁，溶解了白榴石，释放出钾到砂浆中。在现代混凝土中，大量的钾会产生膨胀的凝胶，这会导致微裂并最终破坏结构。然而，在Caecilia Metella墓穴中，钾溶解并重新配置了C-A-S-H结合相。

Jackson说，经过上述重塑“显然在混凝土中产生了坚固的内聚成分”。在这些结构中，不像图拉真市场，几乎没有形成strätlingite。负责这座墓穴的考古学家Stefano Roascio指出，这项研究对理解其他使用Pozzolane Rosse骨料的古代混凝土结构有很大的意义。

“任何混凝土的骨料和砂浆之间的界面是结构耐久性的基础。”Masic说，“在现代混凝土中，形成膨胀凝胶的碱硅反应可能会破坏即使是最硬化的混凝土的界面。”所谓的碱硅反应也叫碱骨料反应（ASR），是指当水泥的碱性过强时，骨料中的活性硅成分(SiO2)与碱发生反应生成硅酸盐，引起混凝土的不均匀膨胀，导致开裂破坏。

“事实证明，Caecilia Metella古墓的古罗马混凝土界面是通过长期的重塑而不断演变的。”Masic说，“这些改造过程加强了界面区域，可能有助于提高机械性能和抵抗古代材料的破坏。”