研究人员花了几十年的时间试图找出这种超级耐用的古代建筑材料的秘密，特别是在承受特别恶劣条件的结构中，如码头、下水道和海堤，或那些建造在地震活跃地区的结构。
现在，来自麻省理工学院、哈佛大学以及意大利和瑞士实验室的一组研究人员在这一领域取得了进展，他们发现了古老的混凝土制造策略，其中包含了几种关键的自我修复功能。
的发现今天在杂志上发表吗科学的进步这篇论文是由麻省理工学院土木与环境工程教授阿米尔·马西克、前博士生琳达·西摩14年、21年博士和其他四人共同完成的。
多年来，研究人员一直认为，古代混凝土耐久性的关键是基于一种成分:火山灰材料，比如来自那不勒斯湾波佐利地区的火山灰。这种特殊的灰烬甚至被运往整个罗马帝国用于建筑，在当时的建筑师和历史学家的描述中，它被描述为混凝土的关键成分。
经过仔细检查，这些古老的样品还含有微小的、独特的、毫米级的亮白色矿物特征，这些特征长期以来一直被认为是罗马混凝土的普遍组成部分。这些白色的大块，通常被称为“石灰碎屑”，来自石灰，古代混凝土混合物的另一个关键成分。“自从我第一次开始使用古罗马混凝土，我就一直被这些特征迷住了，”马西克说。“在现代混凝土配方中没有发现它们，那么为什么它们会出现在这些古老的材料中呢?”
以前被忽视的证据是草率的搅拌实践或劣质的原材料，新的研究表明，这些微小的石灰碎屑赋予了混凝土以前未被认识到的自我修复能力。马西克说:“这些石灰碎屑的存在仅仅是因为质量控制低，这种想法一直困扰着我。”“如果罗马人在制造一种优秀的建筑材料上投入了如此多的精力，遵循了许多世纪以来优化的所有详细配方，为什么他们在确保生产一种混合良好的最终产品上投入的精力如此之少呢?”这个故事肯定不止这些。”
通过使用Masic研究实验室首创的高分辨率多尺度成像和化学测绘技术对这些石灰碎屑进行进一步表征;研究人员对这些石灰碎屑的潜在功能有了新的认识。
历史上，人们一直认为，当石灰被加入罗马混凝土中时，它首先与水结合，形成一种高活性的糊状材料，这一过程被称为熟化。但仅凭这一过程并不能解释石灰碎屑的存在。Masic想知道:“有没有可能罗马人实际上直接使用了更活跃的石灰形式，即生石灰?”
通过研究这种古老混凝土的样本，他和他的团队确定，这些白色夹杂物确实是由各种形式的碳酸钙组成的。光谱检查提供了线索，表明这些物质是在极端温度下形成的，正如人们所期望的那样，这些物质是在混合物中使用生石灰而不是熟石灰或与熟石灰一起产生的放热反应中形成的。研究小组现在得出结论，热混合实际上是这种材料超级耐用的关键。
“热混合的好处是双重的，”Masic说。“首先，当整个混凝土被加热到高温时，它可以产生仅使用熟石灰时不可能产生的化学物质，从而产生不会形成的高温相关化合物。其次，温度的升高显著减少了固化和凝固时间，因为所有的反应都加速了，可以更快地施工。”
当混凝土内部开始形成微小裂缝时，它们可以优先穿过高表面积的石灰碎屑。这种材料可以与水反应，产生饱和钙溶液，再结晶为碳酸钙，迅速填充裂缝，或与火山灰材料反应，进一步增强复合材料。这些反应是自发发生的，因此会在裂缝扩散之前自动愈合。在热混合过程中，石灰碎屑形成了一种典型的脆性纳米颗粒结构，形成了一种容易断裂的活性钙源，正如研究团队所提出的，这种钙源可以提供关键的自我修复功能。之前对这一假设的支持是通过检查其他表现出方解石填充裂缝的罗马混凝土样本发现的。
为了证明这确实是导致罗马混凝土耐久性的机制，研究小组制作了混合了古代和现代配方的热拌混凝土样品，故意将其开裂，然后让水从裂缝中流过。果然，不到两周，裂缝就完全愈合了，水再也流不出去了。同样一块没有生石灰的混凝土永远不会愈合，水一直在样品中流动。由于这些成功的测试，该团队正在努力将这种改性水泥材料商业化。
Masic说:“想到这些更耐用的混凝土配方不仅可以延长这些材料的使用寿命，而且还可以提高3d打印混凝土配方的耐久性，这是令人兴奋的。”
通过延长功能寿命和开发更轻重量的混凝土形式，他希望这些努力可以帮助减少水泥生产对环境的影响，目前水泥生产占全球温室气体排放的8%左右。与其他新配方一起，比如可以从空气中吸收二氧化碳的混凝土，这是Masic实验室目前的另一个研究重点，这些改进可以帮助减少混凝土对全球气候的影响。
该研究小组包括麻省理工学院的Janille Maragh，意大利DMAT的Paolo Sabatini，瑞士Meccanica dei Materiali研究所的Michel Di Tommaso，以及哈佛大学Wyss生物工程研究所的James Weaver。这项工作是在意大利普利维尔诺考古博物馆的协助下进行的。
