MIT 團隊成功找出古羅馬混凝土極耐用秘密　關鍵在於超高溫混合石灰

古羅馬人是建築大師，其代表作除了鬥獸場、萬神殿等著名建築外，還有無數的引水道與古道。這些功能仍然完備的建築，全依賴於火山灰混凝土這種建築材料，令建築極其耐用且有難以置信的強度。

例如萬神殿至今已有 2,000 年歷史，仍然完好無損更有世上最大的無鋼筋混凝土圓頂。

過去，學者一直認為古羅馬混凝土中的火山灰是建築物極度耐用的主因，當將之與石灰和水混合時，就會發生化學反應，形成堅固的混凝土。

然而，最新刊於《科學進展》的研究就發現，這並非故事的全部。 該個由麻省理工學院 (MIT) 領導的國際研究小組發現，古羅馬混凝土極其耐用的關鍵是混合各種成份的技術與想像中不同。

而發現到這個關鍵的，竟來自小石灰粒。這些小石灰粒的存在過去被視為材料與混合不良，但 MIT 材料科學家 Admir Masic 認為這並非合理解釋。他指出，如果古羅馬人付出如此多的努力來製造一種出色的建築材料，並遵循經過多個世紀改善配方，為何不花精力來確保混合出良好的混凝土？

因此，他的團隊用多種方法，包括大面積掃描電子顯微鏡和能量色散 X 光光譜、粉末 X 光衍射和共聚焦拉曼顯微技術 (confocal raman imaging) ，仔細研究意國普里韋爾諾 (Priverno) 考古遺址中具有 2,000 年歷史的古羅馬混凝土樣本，以更了解混凝土中的小石灰粒。

研究要找出的其中一個謎團是混凝土所用的石灰性質。過去，學界認為古羅馬火山灰混凝土所用的是熟石灰。要製造熟石灰首先將石灰石在高溫下加熱，產生生石灰（氧化鈣， calcium oxide）這種高活性腐蝕性粉末。然後將將生石灰與水混合，則會產生熟石灰（氫氧化鈣， calcium hydroixde）這種反應稍差、腐蝕性較低的糊狀物。根據過去理論，古羅馬人將熟石灰與火山灰混合製出混凝土。

不過根據團隊的分析，樣本中的石灰粒與上述方法製造出來的不一樣。 相反，古羅馬混凝土可能是將生石灰直接與火山灰和水在極高溫下，單獨或再混合熟石灰製成的，並在過程中產生小石灰粒，團隊更將這種方法稱為「熱混合 (hot-mixing) 」。

Masic 解釋，熱混合有兩個好處。第一，混凝土被加熱至超高溫，可能會形成一些高溫才產生的化合物。第二則是超高溫顯著增加所有化學反應，可以更快地完成建造建築物。

團隊更指，小石灰粒甚至有助混凝土自我修復。當火山灰混凝土出現裂縫時，因為小石灰粒的表面面積高於混凝土中的其他顆粒，裂縫往往會優先出現在小石灰粒之間。當水進入裂縫時，會與這些小石灰粒產生反應，形成高鈣溶液，這些液體變乾後會硬化成碳酸鈣，將裂縫黏起，防止裂縫進一步擴大。

事實上，這個情況在另一個有 2,000 年歷史的古蹟 Caecilia Metella 之墓的混凝土中觀察到。該古蹟的混凝土裂縫中填充了碳酸鈣的穩定形態方解石 (calcite) 。這也可以解釋為何同期的古羅馬海堤混凝土在海水不斷衝擊的情況下，仍完好無損地保存了 2,000 年。

團隊最終亦進行了實驗，確認熱混合方法所製的火山灰混凝土能在裂縫出現後遇上水分兩周內可完全「癒合」。團隊現時正努力於將火山灰混凝土商業化，成為一種更環保的替代混凝土。

來源：

Science Alert, We Finally Know How Ancient Roman Concrete Was So Durable

報告：
Seymour, L.M., Maragh, J., Sabatini, P. & et al. (2023). Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete. Science Advances vol 9, Issue 1. doi: 10.1126/sciadv.add1602

文／AC