古罗马人是工程大师，建造了庞大的道路、渡槽、港口和大型建筑网络，其遗迹已经保存了两千年。其中许多建筑都是用混凝土建造的：罗马著名的万神殿（Pantheon），拥有世界上最大的无钢筋混凝土穹顶，建于公元128年，至今仍完好无损，一些古罗马渡槽至今仍向罗马供水。与此同时，许多现代混凝土结构在几十年后已经倒塌。
研究人员花了几十年时间试图找出这种超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建筑物中，如码头、下水道和海堤，或在地震活动场所建造的建筑物。
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，他们发现了古代混凝土制造策略，其中包含了几个关键的自我修复功能。这一发现发表在《科学进展》杂志上，发表在麻省理工学院土木与环境工程教授Admiral Masic、前博士生Linda Seymour和其他四人的论文中。
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，如那不勒斯湾波佐利地区的火山灰。这种特殊的火山灰甚至被运送到整个罗马帝国，用于建筑，当时的建筑师和历史学家将其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，这些特征长期以来被认为是罗马混凝土中普遍存在的成分。这些白色块，通常被称为“石灰碎屑”，源自石灰，这是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以来，我一直对这些特征着迷，”Masic说。“这些在现代混凝土配方中找不到，那么为什么它们会出现在这些古老的材料中？”
这项新的研究表明，这些细小的石灰碎屑赋予了混凝土一种以前未被认可的自愈能力，而此前人们仅仅认为这只是混合实践草率或原材料质量低劣的证据。Masic说：“这些石灰碎屑的存在仅仅是由于质量控制不力，这一想法一直困扰着我。”。“如果罗马人在制作一种出色的建筑材料上付出了如此多的努力，遵循了经过几个世纪优化的所有详细配方，为什么他们会在确保生产出混合良好的最终产品上付出如此少的努力？这个故事必须有更多的内容。”
在对这些石灰碎屑进行进一步表征后，使用Masic研究实验室首创的高分辨率多尺度成像和化学绘图技术，研究人员对这些石灰碎片的潜在功能获得了新的见解。
历史上，人们曾假设，当石灰掺入罗马混凝土时，它首先与水结合，形成一种高活性的糊状材料，这一过程被称为消化。但仅这一过程不能解释石灰碎屑的存在。马西奇想知道：“罗马人有没有可能直接使用活性更强的石灰，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，白色夹杂物确实是由各种形式的碳酸钙制成的。光谱检查提供了线索，表明这些是在极端温度下形成的，这是通过使用生石灰代替或添加混合物中的熟石灰而产生的放热反应所预期的。研究小组现在得出结论，热拌实际上是超级耐久性的关键。
“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，如果只使用熟石灰，则会产生不可能的化学反应，从而产生不会形成的高温相关化合物。其次，由于所有反应都会加速，因此温度升高会显着缩短固化和凝固时间，从而加快施工速度。”
在热混合过程中，石灰碎屑形成了一种特征性的脆性纳米颗粒结构，形成了一个容易断裂和反应性的钙源，正如团队提出的那样，这可以提供关键的自我修复功能。一旦混凝土内开始形成微小裂缝，它们就会优先穿过高表面积的石灰碎屑。然后，这种材料可以与水反应，生成钙饱和溶液，该溶液可以重结晶为碳酸钙并快速填充裂缝，或者与火山灰材料反应以进一步强化复合材料。这些反应是自发发生的，因此会在裂缝扩展之前自动愈合。通过对其他表现出方解石填充裂缝的罗马混凝土样本的检查，发现了先前对这一假设的支持。
为了证明这确实是罗马混凝土耐久性的机制，该团队制作了混合了古代和现代配方的热拌混凝土样品，故意使其开裂，然后让水从裂缝中流过。果然：不到两周，裂缝就完全愈合了，水再也不能流动了。没有生石灰的同一块混凝土从未愈合，水只是不断流过样本。由于这些成功的试验，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如何不仅能延长这些材料的使用寿命，而且还能提高3D打印混凝土配方的耐久性，真是令人兴奋。”。
通过延长功能寿命和开发重量更轻的混凝土模板，他希望这些努力能够帮助减少水泥生产对环境的影响，水泥生产目前约占全球温室气体排放量的8%。除了其他新配方，例如能够从空气中吸收二氧化碳的混凝土（Masic实验室目前的另一个研究重点），这些改进可能有助于减少混凝土对全球气候的影响。
或许这些研究对现代建筑的质量提升起到积极作用。
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