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。它不僅推動了羅馬那場影響深遠的建筑革命，還用于建造了眾多建筑、橋梁和渡槽。這些結構中的許多至今仍在使用，距今已有2000多年。為何古羅馬混凝土會何如此經(jīng)久耐用？

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

當時，那項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世紀被羅馬征服。但一個問題在于：這一城墻樣本是否足以代表羅馬帝國時期建造的其他混凝土結構。

在一項新發(fā)表于《自然·通訊》雜志的研究中，Masic團隊通過對龐貝古城一處新發(fā)現(xiàn)的建筑遺址進行取樣分析，證實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，研究人員重點關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）。他們在論文中描述了一種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，砂漿就中就會產(chǎn)生熱量。隨著混凝土的凝固，這一“熱拌”過程就會將石灰碎屑固定并保存下來。當混凝土出現(xiàn)裂縫時，這些石灰碎屑會重新溶解并填充裂縫，從而賦予混凝土自我修復的特性。

但這引發(fā)了一個問題：Masic團隊所描述的制作工藝，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，是迄今已知最早的建筑理論著作，影響極為深遠。書中提到，羅馬人制作混凝土時，會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者，因此很難直接質疑其記述的準確性……正是他的著作激發(fā)了我對古羅馬建筑的濃厚興趣，而我的研究結果卻與這些重要的歷史文獻相悖。”

難道，Masic及其團隊的推論錯了？

被時間封存的古代工地

最近，考古學家在龐貝發(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，這為進行進一步研究提供了前所未有的契機。Masic表示，當他首次踏入這處龐貝遺址，目睹保存完好的工作場景時，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。場景如此鮮活，猶如穿越時空。”

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城市正在進行的所有建筑活動。對于研究古羅馬混凝土技術而言，這場災難創(chuàng)造了一座“被時間封存的工地”。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，并帶有精準的時間標記。這使研究人員能夠直接看到羅馬工匠在當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推測。

在新的研究中，研究團隊分析了多種樣本：預拌干料堆、施工中的墻體、已完成的扶壁與結構墻，以及既有墻體的修補砂漿。

這個遺址中的樣本，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，研究團隊還在干料堆中發(fā)現(xiàn)了與其他成分預拌的完整生石灰碎塊——這正是制備熱拌混凝土關鍵的第一步。

通過穩(wěn)定同位素研究，他們追蹤了這些關鍵的碳化反應隨時間推移的變化，從而區(qū)分了熱拌石灰與維特魯威所記載的熟石灰。分析結果表明，羅馬人制作膠凝材料時，會先將煅燒石灰石（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。

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)，浮石顆粒會隨時間與周圍孔隙液發(fā)生化學反應，形成新的礦物沉積，從而進一步增強混凝土的強度。

重寫歷史

這些發(fā)現(xiàn)具有重要意義，因為羅馬混凝土耐久、自愈且屬于動態(tài)體系。火山質成分中的孔隙可通過再結晶被填充，這是一種理想的過程，研究人員希望將其應用到現(xiàn)代材料中。

至于維特魯威的記載，Masic推測可能存在誤讀。他指出，維特魯威在描述水泥攪拌過程時也提及了“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