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科學家終於曉得古羅馬混凝土為何能屹立千年

你曾否好奇,為何建於2000年前的羅馬萬神殿至今依然巍然屹立?這座擁有全球最大無筋混凝土圓頂的建築,其秘密不僅在於特殊的材料配方,更在於獨特的製作工藝。

研究團隊在古羅馬混凝土樣本中發現了細小的白色石灰顆粒,最初被認為是混合不均勻的結果。然而,MIT材料科學家Admir Masic指出,古羅馬人對建材的製作要求十分嚴格,這些石灰顆粒的存在不可能僅是混合不佳。團隊分析了來自義大利Privernum的2000年歷史的混凝土樣本,運用了多種高精度檢測方法,包括掃描電子顯微鏡和X射線能譜分析,發現這些石灰顆粒與傳統認知不符。

傳統認知認為,羅馬人是將消石灰(熟石灰)與火山灰混合製成混凝土。但研究發現,他們很可能是直接將生石灰與火山灰在高溫下混合,這種「熱混合」工藝賦予混凝土驚人的自癒能力。

當混凝土出現裂縫時,裂縫會優先延伸至這些石灰塊。遇水後,石灰會發生化學反應,形成富含鈣的溶液,進而結晶形成碳酸鈣,自動「修復」裂縫。研究團隊實驗證實,採用這種工藝製作的混凝土在兩週內就能自行修復裂痕。

生石灰與火山灰在高溫下混合 遇水可自動結晶修復

通過「熱混合」工法,富含鈣的石灰顆粒被包裹在水泥基質中,並形成一層水化層,最終進行碳酸化(圖上方)。當混凝土出現裂縫(圖下方)時,水分滲入裂縫,攜帶鈣離子進入孔隙網絡,自動填補損傷(過程1);或作為反應鈣來源,促進火山灰與基質間的後期火山灰反應(如形成C-A-S-H結構),進一步鞏固混凝土(過程2)。(圖/《Science Advances》)

這一發現不僅解開了古羅馬建築歷久彌新的秘密,更為現代混凝土技術開闢了新方向。研究團隊目前正致力於將這項技術商業化,期待能開發出更環保、更耐久的新型混凝土,造福人類。

這項研究不僅展現了古羅馬工程師的智慧,也提醒我們:有時看似的缺陷,可能正是精心設計的傑作。正如MIT材料科學家Masic所說:「羅馬人怎麼可能在如此重要的建材上馬虎處理?背後必定另有玄機。」

想想看,一項2000年前的技術創新,至今仍在啟發現代科技的發展,這不正是科技傳承最迷人之處嗎?這項研究有望推動現代建築材料的革新。Masic表示,更耐用的混凝土不僅可以延長建築壽命,還可能改善3D列印混凝土的持久性,並為環保混凝土提供新方向。該研究成果已發表於《Science Advances》期刊。

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首圖來源:Ed Freeman/Stone/Getty Images  (CC BY 4.0)

影片來源:Science Advances (CC BY 4.0

參考論文:
Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concreteScience Advances

延伸閱讀:
1、西班牙挖掘出古羅馬廣場遺址