為何萬神殿能屹立兩千年？科學家：古羅馬混凝土能自我修復

2023-01-10 11:21 聯合新聞網／科技新報

(首圖來源：Flickr/katiedee47 CC BY 2.0)

【文‧黃嬿】

古羅馬人是工程大師，許多當時的建築遺跡至今仍然存在，甚至仍在使用，這些建築很多是用混凝土建造，譬如羅馬著名的萬神殿圓頂，就是當今世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂，於公元 128 年落成，至今仍完好無損，對比許多現代混凝土結構在幾十年後就倒塌，古羅馬的配方肯定有所不同。科學家發現，原來古羅馬混凝土中有自動修復的神祕配方。

不只萬神殿，古羅馬時期建造的架空水槽，至今很多仍在使用。科學家一直想知道，這些能承受特別惡劣條件的結構中，例如碼頭、下水道和海堤，或在地震活躍地區建造的結構，到底有什麼不同。

多年來，研究人員一直認為古代混凝土耐久性的關鍵是基於一種成分，即火山灰材料，例如來自那不勒斯灣波佐利地區的火山灰。後來科學家發現，古代混凝土中還包含毫米級的亮白色礦物，這些白色塊狀物被稱為石灰碎屑，源自石灰，這些在現代混凝土配方中是找不到的。

原本科學家認為古羅馬人是將熟石灰與火山灰混合，但是來自麻省理工學院、哈佛大學以及義大利和瑞士科學家認為沒這麼簡單，他們發現，這些微小的石灰碎屑讓混凝土能夠自愈，原因是這些材料與科學家預期的略有不同，而且用於混合它們的技術也不同。

關鍵在多使用了生石灰。研究發現，羅馬混凝土中的石灰碎屑，可能是將生石灰直接與火山灰和水在極高溫度下單獨混合，或是與熟石灰混合製成，研究團隊稱之為熱混合的產物，而在熱混合過程中，石灰碎屑會形成一種特有的脆性奈米顆粒結構，形成一種容易破碎和反應的鈣源，提供關鍵的自我修復功能。

一旦混凝土內開始出現微小裂縫，這些鈣源就會優先穿過高表面積的石灰碎屑，這種材料可以與水反應，形成鈣飽和溶液，重新結晶為碳酸鈣，並迅速填充裂縫，或與火山灰材料反應，進一步強化複合材料。科學家稱，這些反應是自發的，會在裂縫擴散之前自動修復裂縫。

研究團隊還進行驗證，製作古代和現代配方的熱拌混凝土樣品，故意讓樣品開裂，然後讓水從裂縫中流過，結果不到兩週，古代配方的混凝土裂縫就完全癒合，水也無法穿透。但是一塊沒有生石灰的相同混凝土從未癒合，水不斷流入。科學家認為，2000 年前建造的羅馬海堤混凝土，能夠在海洋不斷遭受衝擊的情況下仍完好無損的保存數千年，關鍵原因就在於自癒。

科學家認為，這些更耐用的混凝土配方不只可以延長材料的使用壽命，還可以提高 3D 列印混凝土配方的耐用性，也可以減少水泥生產對環境的影響。研究已刊登在《科學進展》期刊。