建于古罗马时期的 诸多建筑，如万神殿、斗兽场，已历经近2000年，至今屹立。那么，古罗马人应用了何种神奇的建造技术，使得这些建筑奇观得以保留至今？
（万神殿。图源：Wikipedia）
近日，位于古罗马庞贝古城Regio IX区的一处未完工建筑工地被发掘，揭秘了古罗马混凝土建筑的耐久之谜。公元79年，维苏威火山喷发，这处工地随同整个庞贝古城被纷纷飘落的火山灰和岩石碎屑掩埋。时光就此凝固，定格了古罗马混凝土制作过程的最直接景象。
通过对已建成的墙体、施工中的墙体以及附近原料堆材料的微观结构和成分分析，美国麻省理工学院Admir Masic团队及其意大利同事首次确认：古罗马人在制作混凝土时，是先将生石灰与干燥的火山灰预混合，然后再加水。
01穿越千年的见证
这座位于庞贝Regio IX Insula 10的建筑现场，隶属于公元62年大地震后，庞贝城大规模重建施工的一部分。火山喷发时，工地上的工人们正在修复墙体。
遗址现场发现大量分门别类堆放的可再生建筑材料（图1），包括熔岩石、石灰岩、碎瓦片和常见的陶器、双耳瓶残片。这些材料准备用于修复破损的墙面。
图1. 庞贝Regio IX Insula 10区域位置示意图和发掘现场照片。图源：Nat. Commun.
最引人注目的是现场保留了完整的原料堆：未经处理的火山灰、未水化的生石灰块和部分已混合但尚未使用的建材。这种“时间胶囊”式的保存状态，让研究人员得以重建完整的施工流程。
其实，前人已有关于古罗马混凝土的制备方法记载：
罗马建筑师Marcus Vitruvius Pollio在其著作《建筑十书》（De Architectura）中就描述过混凝土制作过程。他提到生石灰（氧化钙）需先水化“熄灭”制成熟石灰（氢氧化钙），再与火山灰混合。但新发现的这处庞贝建筑工地表明，工匠们的实际操作有所不同。
02热拌技术（Hot Mixing）与生石灰碎屑
研究团队从工地遗址中的不同位置采集了一些混凝土样品，将它们小心切割，用光学和电子显微镜、X射线衍射仪、红外光谱等进行表征。
通过微观结构分析发现，古罗马混凝土中含有大量白色生石灰碎屑（clast），这些碎屑是生石灰直接与火山灰混合时形成的特有结构。
当生石灰与水接触时，会发生剧烈放热反应：CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 热量。该过程被称为“热拌技术”，能使局部温度超过200°C。
高温和随后的快速冷却影响了混料的微观结构发展：在生石灰颗粒周围，高温产生的低湿度条件阻止了生石灰颗粒的水化。这便是白色生石灰碎屑得以在火山灰基体中保存下来的原因。
这些未溶解的碎屑成为了钙离子源。当混凝土暴露在水中时，这些碎屑便将启动自修复功能。
03古罗马混凝土的自修复机制
研究团队特别关注了混凝土样品中生石灰碎屑周围的边缘区域。他们发现，从石灰碎屑中溶出的钙离子会向周围扩散并重新矿化，生成多种非晶和多晶化合物。
这种碎屑和火山灰基质之间界面的重塑过程，是古罗马混凝土具有长期耐久性和自愈合能力的关键。
具体而言：
当混凝土产生微小的裂纹时，水通过裂纹进入混凝土内部接触生石灰碎屑。生石灰遇水生成熟石灰。熟石灰通过沉淀-溶解平衡释放出钙离子与周围火山灰反应，生成多种含钙化合物，包括晶态碳酸钙和非晶态钙铝硅酸盐水合物（C-A-S-H）。
在自然干-湿循环中，这些物质会在裂缝里再结晶形成各种含钙多晶化合物（主要是方解石、文石）填充裂纹，实现混凝土的自我修复，宛如人体伤口愈合一样自然。
图2. 混凝土样品截面的结构、元素分布、成分表征。表征结果显示碎屑边缘钙含量高。结合红外光谱和XRD表征证实边缘处主要成分为碳酸钙和非晶态钙铝硅酸盐水合物。图源：Nat. Commun.
这种反应可持续数百年，显著增强了混凝土的耐久性，正是罗马建筑能够历经千年不倒的科学原因。
04古罗马混凝土墙面构筑指南（推测）
据以上结论，可推测出古罗马人制备及使用混凝土的大致流程（图3）。
图3. 古罗马混凝土使用流程。图源：Nat. Commun.
A.将火山灰和生石灰混合B.加入水磨碎陶（cocciopesto，古罗马的一种传统建筑材料，由熟石灰、水、沙子和粉碎的砖瓦、陶器混合而成），提升材料的防水性和耐久度C.水化混料D.生石灰熟化，制备混凝土浆料E.利用陶罐将浆料运送至所需之处F.涂抹浆料（类似现代水泥）G.利用铅锤确保墙面垂直F.利用斧子劈开石头，作为墙面原料
05现代应用启示
庞贝未完工建筑现场带给我们的发现不仅改写了我们对古罗马建筑技术的理解，也为开发现代可持续建筑材料提供了新思路。
首先，热拌技术可比传统方法更节约能源，因为它避免了先水化生石灰产生的热量逸散。
再者，生石灰碎屑提供的长期自愈能力，可延长混凝土结构的使用寿命，减少维护成本。研究团队正与材料科学家合作，开发基于这一原理的新型建筑材料。目标应用范围包括海洋环境和水下，这些领域对材料的耐久性和自愈能力要求极高。
另外，古罗马混凝土配方中大量使用的火山灰等天然材料，为降低现代水泥生产过程中的碳排放提供了借鉴。当下水泥行业的碳排放量约占总排放量的8%（2022年数据）。因而寻找更环保的替代生产工艺迫在眉睫。
没想到初中化学课本里的生石灰水化生成熟石灰的这一放热反应，竟藏着古罗马混凝土建筑屹立千年不倒的秘密！
更多研究细节请移步原文：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66634-7
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