混凝土在使用了几十年之后经常会开始开裂和破碎——但奇怪的是，许多罗马建筑并非如此。尽管条件会破坏现代混凝土，但这些结构仍然屹立不倒，表现出非凡的耐用性。
一个特殊的结构是一世纪贵妇 Caecilia Metella 的大型圆柱形坟墓。麻省理工学院科学家及其同事发表在《陶瓷学会杂志》上的新研究表明，由于建造者选择的火山骨料以及与雨水不寻常的化学相互作用，她坟墓的混凝土质量可能超过同时代男性纪念碑的质量以及累积超过两千年的地下水。
该研究的主要合著者、麻省理工学院土木与环境工程副教授 Admir Masic 和犹他大学地质学和地球物理学研究副教授 Marie Jackson 联手了解了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为未来创造耐用、可持续建筑材料的新方法，”Masic 说。“Caecilia Metella 墓是现存最古老的建筑之一，提供了可以激发现代建筑灵感的见解。”
一种奇特的粘性混凝土
Caecilia Metella 墓位于一条古罗马道路上，也被称为亚壁古道，是阿皮亚安蒂卡大街上的一个地标。它由位于方形底座上的圆形塔组成，总高约 70 英尺(21 米)，直径约 100 英尺(29 m)。这座墓建于公元前 30 年左右，当时罗马共和国转变为罗马帝国，由奥古斯都皇帝于公元前 27 年领导，被认为是亚壁古道上保存最完好的古迹之一。
凯西莉亚本人是一个贵族家庭的成员。她嫁给了马库斯·克拉苏 (Marcus Crassus) 的家族，后者与尤利乌斯·凯撒 (Julius Caesar) 和庞培 (Pompey) 结成了著名的联盟。
“在 Via Appia Antica 上建造这座非常创新和坚固的纪念碑和地标表明她受到了崇高的敬意，”杰克逊说，“而 2050 年后的混凝土结构反映了一种强大而有弹性的存在。”
这座坟墓是罗马共和晚期混凝土建筑精细技术的一个例子。当 Caecilia Metella 墓正在建设中时，建筑师 Vitruvius 描述了这些技术。用粗砖或火山岩骨料建造厚厚的墙壁，用石灰和火山灰(爆炸性喷发产生的多孔玻璃碎片和晶体)制成的砂浆粘合在一起，会导致结构“在很长一段时间内不会变成废墟”。
维特鲁威的话被今天许多罗马建筑证明是真实的，包括图拉真市场(建于公元 100 至 110 年之间，距坟墓后一个多世纪)以及码头和防波堤等海洋结构。
然而，古罗马人不知道的是，富含钾的矿物白榴石在火山骨料中的晶体如何随着时间的推移而溶解，从而有益地改造和重组火山骨料和胶结粘结基质之间的界面，改善混凝土的内聚力。
“专注于设计具有不断增强界面区域的现代混凝土可能为我们提供另一种提高现代建筑材料耐久性的策略，”Masic 说。“通过整合久经考验的‘罗马智慧’来做到这一点，提供了一种可持续的战略，可以将我们现代解决方案的寿命提高几个数量级。”
Linda Seymour '21，作为博士参加了这项研究。麻省理工学院 Masic 实验室的学生，用科学工具研究了混凝土的微观结构。
“我们使用的每个工具都为砂浆中的过程增加了线索，”西摩说。扫描电子显微镜显示了微米级砂浆砌块的微观结构。能量色散 X 射线光谱法显示了构成这些构建块中的每一个的元素。“这些信息使我们能够快速探索砂浆中的不同区域，我们可以挑选出与我们的问题相关的构建块，”她说。她补充说，诀窍是当目标只有头发的宽度时，用每个仪器精确地击中相同的积木目标。
独特的强物质背后的科学
在 Caecilia Metella 墓的厚厚混凝土墙上，一种含有火山灰的砂浆将大块砖块和熔岩骨料粘合在一起。它类似于 120 年后图拉真市场中使用的砂浆。Trajan 砂浆市场的胶水由称为 CASH 结合相(钙铝硅酸盐水合物)的构建块以及称为菱镁矿的矿物晶体组成。
但是罗马人用于 Caecilia Metella 砂浆的火山灰富含钾的白榴石含量更高。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，并将钾释放到灰浆中。在现代混凝土中，大量的钾会产生膨胀的凝胶，从而导致微裂纹并最终导致结构恶化。
然而，在坟墓中，钾溶解并重新配置了 CASH 结合相。
“X 射线衍射和拉曼光谱技术使我们能够探索砂浆是如何变化的，”Seymour 说。“我们看到 CASH 域在 2,050 年后完好无损，有些域在形态上分裂、纤细或以其他方式不同。特别是 X 射线衍射允许对纤丝域进行分析，直到它们的原子结构。我们看到纤细的域正在呈现这种纳米晶体的性质，”她说。
杰克逊说，改造后的领域“显然在混凝土中创造了强大的凝聚力成分”。在这些结构中，与图拉真市场不同，几乎没有形成菱铁矿。
负责该墓的考古学家 Stefano Roascio 指出，这项研究对于理解使用 Pozzolane Rosse 骨料的其他古老和历史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损害最硬化混凝土的界面。”
“事实证明，Caecilia Metella 墓古罗马混凝土中的界面区域通过长期改造不断发展，”Masic 说。“这些重塑过程加强了界面区域，并可能有助于提高机械性能和古代材料对失效的抵抗力。”