建于古羅馬時期的 諸多建筑，如萬神殿、斗獸場，已歷經(jīng)近2000年，至今屹立。那么，古羅馬人應(yīng)用了何種神奇的建造技術(shù)，使得這些建筑奇觀得以保留至今？

（萬神殿。圖源：Wikipedia）

近日，位于古羅馬龐貝古城Regio IX區(qū)的一處未完工建筑工地被發(fā)掘，揭秘了古羅馬混凝土建筑的耐久之謎。公元79年，維蘇威火山噴發(fā)，這處工地隨同整個龐貝古城被紛紛飄落的火山灰和巖石碎屑掩埋。時光就此凝固，定格了古羅馬混凝土制作過程的最直接景象。

通過對已建成的墻體、施工中的墻體以及附近原料堆材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分分析，美國麻省理工學(xué)院Admir Masic團隊及其意大利同事首次確認(rèn)：古羅馬人在制作混凝土?xí)r，是先將生石灰與干燥的火山灰預(yù)混合，然后再加水。

01穿越千年的見證

這座位于龐貝Regio IX Insula 10的建筑現(xiàn)場，隸屬于公元62年大地震后，龐貝城大規(guī)模重建施工的一部分�；鹕絿姲l(fā)時，工地上的工人們正在修復(fù)墻體。

遺址現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)大量分門別類堆放的可再生建筑材料（圖1），包括熔巖石、石灰?guī)r、碎瓦片和常見的陶器、雙耳瓶殘片。這些材料準(zhǔn)備用于修復(fù)破損的墻面。

圖1. 龐貝Regio IX Insula 10區(qū)域位置示意圖和發(fā)掘現(xiàn)場照片。圖源：Nat. Commun.

最引人注目的是現(xiàn)場保留了完整的原料堆：未經(jīng)處理的火山灰、未水化的生石灰塊和部分已混合但尚未使用的建材。這種“時間膠囊”式的保存狀態(tài)，讓研究人員得以重建完整的施工流程。

其實，前人已有關(guān)于古羅馬混凝土的制備方法記載：

羅馬建筑師Marcus Vitruvius Pollio在其著作《建筑十書》（De Architectura）中就描述過混凝土制作過程。他提到生石灰（氧化鈣）需先水化“熄滅”制成熟石灰（氫氧化鈣），再與火山灰混合。但新發(fā)現(xiàn)的這處龐貝建筑工地表明，工匠們的實際操作有所不同。

02熱拌技術(shù)（Hot Mixing）與生石灰碎屑

研究團隊從工地遺址中的不同位置采集了一些混凝土樣品，將它們小心切割，用光學(xué)和電子顯微鏡、X射線衍射儀、紅外光譜等進(jìn)行表征。

通過微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，古羅馬混凝土中含有大量白色生石灰碎屑（clast），這些碎屑是生石灰直接與火山灰混合時形成的特有結(jié)構(gòu)。

當(dāng)生石灰與水接觸時，會發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)：CaO + H?O → Ca(OH)? + 熱量。該過程被稱為“熱拌技術(shù)”，能使局部溫度超過200°C。

高溫和隨后的快速冷卻影響了混料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展：在生石灰顆粒周圍，高溫產(chǎn)生的低濕度條件阻止了生石灰顆粒的水化。這便是白色生石灰碎屑得以在火山灰基體中保存下來的原因。

這些未溶解的碎屑成為了鈣離子源。當(dāng)混凝土暴露在水中時，這些碎屑便將啟動自修復(fù)功能。

03古羅馬混凝土的自修復(fù)機制

研究團隊特別關(guān)注了混凝土樣品中生石灰碎屑周圍的邊緣區(qū)域。他們發(fā)現(xiàn)，從石灰碎屑中溶出的鈣離子會向周圍擴散并重新礦化，生成多種非晶和多晶化合物。

這種碎屑和火山灰基質(zhì)之間界面的重塑過程，是古羅馬混凝土具有長期耐久性和自愈合能力的關(guān)鍵。

具體而言：

當(dāng)混凝土產(chǎn)生微小的裂紋時，水通過裂紋進(jìn)入混凝土內(nèi)部接觸生石灰碎屑。生石灰遇水生成熟石灰。熟石灰通過沉淀-溶解平衡釋放出鈣離子與周圍火山灰反應(yīng)，生成多種含鈣化合物，包括晶態(tài)碳酸鈣和非晶態(tài)鈣鋁硅酸鹽水合物（C-A-S-H）。

在自然干-濕循環(huán)中，這些物質(zhì)會在裂縫里再結(jié)晶形成各種含鈣多晶化合物（主要是方解石、文石）填充裂紋，實現(xiàn)混凝土的自我修復(fù)，宛如人體傷口愈合一樣自然。

圖2. 混凝土樣品截面的結(jié)構(gòu)、元素分布、成分表征。表征結(jié)果顯示碎屑邊緣鈣含量高。結(jié)合紅外光譜和XRD表征證實邊緣處主要成分為碳酸鈣和非晶態(tài)鈣鋁硅酸鹽水合物。圖源：Nat. Commun.

這種反應(yīng)可持續(xù)數(shù)百年，顯著增強了混凝土的耐久性，正是羅馬建筑能夠歷經(jīng)千年不倒的科學(xué)原因。

04古羅馬混凝土墻面構(gòu)筑指南（推測）

據(jù)以上結(jié)論，可推測出古羅馬人制備及使用混凝土的大致流程（圖3）。

圖3. 古羅馬混凝土使用流程。圖源：Nat. Commun.

A.將火山灰和生石灰混合B.加入水磨碎陶（cocciopesto，古羅馬的一種傳統(tǒng)建筑材料，由熟石灰、水、沙子和粉碎的磚瓦、陶器混合而成），提升材料的防水性和耐久度C.水化混料D.生石灰熟化，制備混凝土漿料E.利用陶罐將漿料運送至所需之處F.涂抹漿料（類似現(xiàn)代水泥）G.利用鉛錘確保墻面垂直F.利用斧子劈開石頭，作為墻面原料

05現(xiàn)代應(yīng)用啟示

龐貝未完工建筑現(xiàn)場帶給我們的發(fā)現(xiàn)不僅改寫了我們對古羅馬建筑技術(shù)的理解，也為開發(fā)現(xiàn)代可持續(xù)建筑材料提供了新思路。

首先，熱拌技術(shù)可比傳統(tǒng)方法更節(jié)約能源，因為它避免了先水化生石灰產(chǎn)生的熱量逸散。

再者，生石灰碎屑提供的長期自愈能力，可延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，減少維護(hù)成本。研究團隊正與材料科學(xué)家合作，開發(fā)基于這一原理的新型建筑材料。目標(biāo)應(yīng)用范圍包括海洋環(huán)境和水下，這些領(lǐng)域?qū)Σ牧系哪途眯院妥杂芰σ髽O高。

另外，古羅馬混凝土配方中大量使用的火山灰等天然材料，為降低現(xiàn)代水泥生產(chǎn)過程中的碳排放提供了借鑒。當(dāng)下水泥行業(yè)的碳排放量約占總排放量的8%（2022年數(shù)據(jù)）。因而尋找更環(huán)保的替代生產(chǎn)工藝迫在眉睫。

沒想到初中化學(xué)課本里的生石灰水化生成熟石灰的這一放熱反應(yīng)，竟藏著古羅馬混凝土建筑屹立千年不倒的秘密！

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https://doi.org/10.1038/s41467-025-66634-7