古罗马混凝土完爆现代材料:已防2000年海水侵蚀

出品|网易科学人栏目组

译者|止水

两千年前，罗马的设计者们建起了宏伟的防波堤和海港桥墩。日前，科学家们通过研究发现，罗马帝国虽然早已湮灭在历史的洪流中，但这些巨大的混凝土建筑物却仍然屹立不倒，给那些现代工程师们也上了宝贵的一课。

比起蜚声世界的罗马斗兽场，这些矗立在意大利海岸线上，已经半沉入水中的混凝土建筑物或许很难会引起人们的注意，但这些在水下浸泡着的建筑物的材料里，却蕴藏着奇迹。这些由火山灰和生石灰混合组成的港工混凝土，经受住了两千年的海水侵蚀，仍然屹立不倒。更令人惊叹的是，它们的结构强度甚至比刚混合时的结构强度还要强。

在杜邦先锋公司（DuPont Pioneer）长期研究着罗马古迹建筑遗产的研究员菲利普·布伦（Philip Brune）表示：“这些罗马防波堤和海港桥墩的材料里蕴藏着非常大的科学可能性，作为一名工程师，我可以毫不夸张地讲，这是人类有史以来使用过得最耐用的材料。”

但相较之下，现代的混泥土材料只可以承受数十年的海水腐蚀。

这些古罗马的建筑材料究竟为什么会那么耐用成了一个悬而未解的谜团。

美国犹他大学的古罗马混凝土建筑研究专家玛丽·杰克逊（Marie Jackson）表示：“考古学家们那儿或许会有’配方’。”

公元一世纪的博物学家老普林尼曾写为这些混凝土建筑写过一首颂歌：“当它们与海浪相遇，被海水淹没，就会变成一整块坚石，无惧浪潮。”

然而，这并不是“配方”的全部：我们既要知道如何混合配料，也要知道如何“烘焙蛋糕”。

最后，杰克逊和她的同事们主持开展了一项名为“罗马港工混凝土的研究”（Roman Maritime Concrete Study），深入观察了这些从古罗马防洪堤和桥墩上取下的混凝土样品的微观结构。

“这些像岩石一样的混凝土所表现出的性能就像处在海底环境中的火山沉积物，”杰克逊教授这样说道。

现代混凝土在设计时剔除了对环境因素的考虑，而这些古罗马混凝土在设计时却容纳进了对环境因素的考虑。

根据科学家们本周一在《美国矿物学家》杂志（American mineralogist）上发表的一份研究显示，这些古罗马混凝土里面充斥着许多微小的，仍在不断生长当中的晶体。这些晶体像装甲板一样，或许可以让这些混凝土材料不容易出现断裂的情况。

科学家们还将这些古罗马混凝土样品送去进行了一连串先进成像仪器的测试，并进行了光谱分析。这些测试揭示出了一个非常少见的化学反应，他们发现铝托勃莫来石晶体（aluminous tobermorite crystal）从另一种名为钙十字沸石（phillipsite）的矿物质中长了出来。

参与了这项研究的布龙教授（Brune）将这一发现称之为“重大成就”，并形象地将它比之为科学家们咬了一口混进了神秘食材的美味蛋糕，并发现烘焙师用的是有机黑巧克力。

在这些古罗马混凝土“蛋糕”里，最为关键的“食材”最后被证明是海水。杰克逊教授表示，当海水渗进这些古罗马混凝土的微小缝隙中时，它同混凝土中的钙十字沸石发生了化学反应，并生成了铝托勃莫来石晶体。

“铝托勃莫来石晶体很难生产，”杰克逊教授这样说道，除此之外，要合成一小块铝托勃莫来石晶体还需要非常高的温度。这些蕴藏在古罗马混凝土建筑物中的秘密或许可以帮助我们找到一种生产托勃莫来石的更好方法，这具有很高的工业应用前景。

古罗马人从意大利的一处采矿场那儿，开采了一种特殊的火山灰。而杰克逊教授正试图用旧金山的海水和存储量更为丰富的火山岩石来重制这种耐用的混凝土材料。目前，在杰克逊教授的实验室的烤箱和广口瓶里已经摆放着一些实验样品了，她将通过测试这些样品，来寻找类似化学反应的证据。

如果人们对制造防波堤真得感兴趣，真得想要保护海岸线环境的话，那么杰克逊教授的实验如果成功了的话，混凝土材料将在人类历史当中，扮演起一个更为重要的角色。

在2014年开展的一项研究里，一个由欧洲气象科学家组成的科研团队预测，如果未来90年的发展趋势和过去30年一样的话，那么建筑起用以抵御海水的防波堤的成本将高涨至每年710亿美元。另一方面，假若我们不去抵御的话，那么沿海洪灾每年或将对我们造成数万亿美元的财产损失。

现代防波堤的设计里混进了钢筋。杰克逊教授表示，在未来，我们或将在海岸线上看到一排排“大煞风景”的，混进了钢筋结构的“古罗马防波堤”。古罗马没有使用过钢筋，但他们的活性混凝土本身就已经足够坚韧了。

“对我们来说，这些古罗马的防波堤不仅仅止水一个历史谜团，”布龙教授最后表示。“它在现代建筑设计中或许仍将占有一席之地。”