古罗马人是混凝土大师，他们将沙子、水和岩石混合制成经久耐用的奇迹。他们用这种材料建造的桥梁、体育场和其他建筑至今依然屹立不倒——甚至包括近2000年来一直浸泡在潮汐和风暴中的海港和防波堤。这种材料在微观层面非常坚固，远远超过了现代材料，现代材料在海水中使用通常需要钢制支撑，并且很可能在几十年内就会腐蚀。
罗马帝国灭亡时，其海洋混凝土的制造方法也随之消失。但通过追溯古建筑中的化学线索，今天的科学家们已经重新发掘了这项技术。近年来，研究人员在借鉴考古学、土木工程和火山学等不同领域的经验教训后，对这项技术有了更深入的理解。他们从海底捞出古代物质的样本管。他们用X射线对其进行扫描，以观察其微观矿物。现在，他们已经混合出了自己的工业版本。
2023年，近两千年来，罗马式海洋混凝土将首次在海岸线上进行测试。Silica-X是一家总部位于美国的专业从事实验玻璃的公司，计划于今年夏天开始在长岛海湾放置四到五块混凝土板。与如今几乎所有其他旨在抵抗环境的混凝土产品不同，这些重达2600磅的样本将拥抱它们的水生环境——并预计会随着时间的推移变得更坚固。
“当水穿过多孔的固体时，材料中的矿物质会溶解，形成新的、能增强强度的化合物。‘这实际上就是罗马混凝土的秘密，’”犹他大学地质与地球物理学研究副教授Marie D. Jackson说道。她正在一项由美国国防部高级研究计划局（ARPA-E）——一个支持早期技术研究的联邦项目——提供的140万美元资助下，致力于复兴这种材料。
Jackson已经花费十多年时间研究罗马混凝土与海水接触会发生什么。她是与Silica-X合作的团队成员之一；即将被投入纽约河口的这些原型是基于她的配方。
“毫无疑问，玛丽是在理解和开发这种材料方面最重要的人，”她经常合作的谷歌硬件开发人员Philip Brune说。十多年前，当Brune还是博士生时，他和Jackson共同创造了他们称为“罗马混凝土类似物”的第一批样品。在制作了一种类似万神殿和图拉真市场基础的陆地类型后，他们转而研究海洋变种。
Jackson对这些历史复制品有一个应用设想：防御气候变化的影响。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）预测，到2050年，美国沿海地区的平均海平面将上升10到12英寸。现代混凝土海堤，其更换周期大约为30年，已经覆盖了美国海岸线的相当大一部分。如果海浪不断上涨，就必须找到更耐用、更可持续的方案来加固我们的海防。
混凝土的双重性
混凝土的成分和制作方法就像制作糖饼干一样简单。除了水和空气，它还需要一种叫做骨料的颗粒材料，可以是沙子、砾石或碎石。另一个必需品是水泥，它是一种矿物胶，能将各种成分粘合在一起。波特兰水泥是19世纪中叶在英国发明的，至今仍是大多数现代混凝土配方的基础。这种混合物可以产生稳定且性能强大的产品。“你可以在火星上用同样的成分制作，而且你知道它会起作用，”麻省理工学院混凝土可持续发展中心土木与环境工程副教授兼首席研究员Admir Masic说。
波特兰水泥的生产是令人担忧的部分：它不仅需要大量淡水和能源，还会释放大量的二氧化碳。根据加州大学戴维斯分校土木与环境工程助理教授Sabbie Miller的说法，其生产过程占全球二氧化碳排放量的7%至8%。如果全球混凝土行业是一个国家，其温室气体足迹将位列第三，仅次于中国和美国。
Miller表示，混凝土行业意识到了其产品对环境的影响，并愿意朝着改变的方向努力。例如，全球建筑集团海德堡水泥（HeidelbergCement）于2021年宣布，将在2030年前建造第一家碳中和水泥厂，该工厂将捕获温室气体并将其封存在海底的基岩中。其他正在开发的混凝土类型旨在将污染物封存在材料本身中。Miller正在研究将碳转化为固体、可储存的矿物质的技术，他称这些技术“非常早期，我们拭目以待它们是否有效”。
研究人员说，以罗马人的方式制作混凝土将减少令人头疼的排放，这在很大程度上是因为这种材料不需要频繁更换。然而，古老的方法并没有产生那么高的抗压强度——这种材料无法支撑超高层建筑或交通繁忙的桥梁。在曼哈顿的混凝土核心区，“我们不会使用罗马风格的材料，” Masic说。他与Jackson和其他两人合写了一篇关于罗马塞西莉亚·梅特拉陵墓建筑材料内部反应的论文，并且是他发明了一种他称之为“自修复”的材料。
罗马式混凝土最擅长的是生存，这得益于它在几天内就能自我修复的能力。“这种材料具有惊人的耐久性，”Brune说。“在人造环境中，没有其他东西能以如此完整和忠实的状态持续存在。”赋予它这种能力的一个关键成分是来自意大利波佐利的沙状火山灰（pozzolan）。
从火焰到大海
Jackson最初并没有打算揭开罗马混凝土的秘密。她被火山学和岩石力学所吸引，在20世纪80年代末和90年代初研究了夏威夷的冒纳罗亚火山。1995年，她带着家人在罗马居住了近一年，住在曾经巨大的战车比赛场——马克西姆斯竞技场遗址附近。在那里，她被这座城市著名古典建筑中使用的火山岩所吸引。
罗马混凝土一直是学者们深入研究的对象——能够持续数千年的建筑自然会引起人们的注意。但Jackson以她地质学家的眼光，看到了其表层之下强大的力量。“除非理解火山岩，否则很难理解这种材料，”她说。在她的分析中，Jackson专注于火山喷发时喷出的颗粒——火山灰（tephra），以及由火山灰固化形成的岩石——凝灰岩（tuff）。
她关于罗马建筑材料的第一篇论文，与另外四位科学家合作，于2005年发表在《考古学》杂志（Archaeometry）上。该团队描述了七个古罗马建筑师收集凝灰岩和石头的地点。这些是罗马以北和以南两个火山爆发的产物。到公元前一世纪，罗马建筑师已经认识到这些岩石的韧性，并开始将它们放置在Jackson所指出的城市“战略位置”。
当她研究永恒之城的材料时，其他人则在分别考察海洋。三位学者兼水肺潜水员——古典考古学家Robert L. Hohlfelder和John Oleson，以及伦敦建筑师Christopher Brandon——于2001年发起了罗马海洋混凝土研究项目。在接下来的几年里，他们从埃及、希腊、意大利、以色列和土耳其的10个罗马港口遗址和一个piscina（一个用于圈养食用鱼类的海边水池）收集了数十份岩心样本。
他们检查的一些地点是巨大的结构：在凯撒利亚·帕拉埃斯蒂纳（Caesarea Palaestinae），一个在希律王统治时期（公元前22年至10年）建造的港口城市，罗马人使用了约20,000吨火山灰建造了港口。
为了观察内部结构，考古学家们需要重型机械。“以前，你会用锤子敲掉一个巨大的、可能是400立方米的海底混凝土块的外部碎片，”维多利亚大学名誉教授Oleson说。但这种方法存在缺陷。表面已经因海洋生物的生长而腐蚀，所以敲下来的可能并不代表内部深处的情况。“你还用锤子敲打它，”他说，这可能会影响测量其材料强度的机会。
该项目需要更精确、更深入的钻探。意大利的一家水泥公司Italcementi提供了资金，并帮助这三位男士获得了一台特制的液压取芯钻机。他们潜入地中海，花了数小时钻探，提取了长达20英尺的圆柱形岩心。“这很困难，”Oleson说。“在像亚历山大港这样的地方，能见度——因为你不想考虑的各种东西——不到你的手臂长度。”
这项工作得到了回报。以前没有人能够观察到水下结构内部的层状结构。当时普遍认为，这种混凝土在海水中能历经数千年一定是非常坚固的。但Oleson和他的同事们发现事实并非如此：“以现代工程术语来说，它相当脆弱。”然而，其火山成分却非常一致。Oleson推测，谷物船使用那不勒斯火山灰作为压舱物，将其从原产地运往数百英里外的工地。
2007年，三人关于海水混凝土的演讲在美洲考古学年会（Archaeological Institute of America’s annual meeting）上获奖。“我站在那里，沐浴在荣耀中，这时一位矮小、激动不已的女士走过来和我说话，”Oleson回忆道。这位女士就是Jackson，Oleson说她详细解释了她在罗马建筑混凝土中观察到的稀有晶体矿物。Oleson自己从未上过大学化学课，但他认出了一个志同道合的人——而且这位地质学家拥有他的团队所需要的专业知识。
他们让Jackson接触了海洋样本。当她仔细观察内部时，她发现了纳米级别的化学实验室。
岩石中的反应
在公元一世纪的著作《博物志》（Natural History）中，罗马作家老普林尼写道，有一种“尘土，一旦接触到海浪并被淹没，就会变成一块坚不可摧的石头，并且每天都在变强”。这种湿润的颗粒——火山灰——究竟如何变得越来越强，直到近2000年后才被揭示。
当Jackson研究Oleson及其同事获得的岩心样本时，她发现了她在罗马市建筑混凝土中看到的某些相同特征。但在水下混凝土中，她还看到了她称之为“矿物循环”的现象：一种化合物形成、溶解、然后又形成新化合物的循环反应。
为了制造混凝土，罗马人将火山灰与熟石灰混合。这加速了叫做铝硅酸钙水合物（calcium aluminum silicate hydrate，简称C-A-S-H）的矿物胶的生产。（C-S-H，纯现代混凝土的骨架，是一种类似的粘合剂。）Jackson说，这发生在安装后的最初几个月。在五到十年内，材料成分会再次发生变化，通过一种微观的内部重塑，消耗掉所有的熟石灰。到那时，渗透的液体“开始真正发挥作用”，因为它产生了持久的、类似水泥的矿物质。
Jackson和一组科学家利用先进的显微镜和X射线技术，包括在劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源（Advanced Light Source）进行的工作，观察了这些强大但微小的晶体。“我们能够系统地证明，罗马海水混凝土随着时间的推移一直在不断变化，”她说。在混凝土的每个孔隙中，海水都与玻璃或晶体化合物发生了反应。特别是，她发现了被称为铝托莫石（aluminous tobermorite）的稀有矿物的坚硬、肋状板，这可能有助于防止裂缝，正如她和同事们在2017年《美国矿物学家》（American Mineralogist）杂志上发表的一篇论文中所写。
海洋本身也起着至关重要的作用。罗马制造商用海水混合他们的海洋混凝土，其盐分成为矿物结构的一部分——钠、氯和其他离子有助于激活火山灰-石灰反应。一旦混凝土进入潮汐，随着液体缓慢渗透到巨大的结构中，生命开始在表面繁衍。蠕虫筑巢，其他无脊椎动物长出贝壳。
与此同时，现代钢筋混凝土需要高pH值来保护内部的钢筋，这意味着其表面对生物不太友好。Brune指出，一旦浇筑完成，经过约28天的硬化和养护，它就接近其最大强度。（目前正进行尝试，赋予新型混凝土自我修复能力，例如将细菌孢子注入材料中，这些孢子会产生石灰石。）
“我们能够系统地证明，罗马海水混凝土随着时间的推移一直在不断变化。”
—Marie D. Jackson
具体来说，使用波特兰水泥的混凝土既坚固又脆。承受过大的应力时，它会开裂，有时会发出清脆的断裂声，并导致大范围的失效。“材料承载更大载荷的能力消失了。它已经断裂了，”Jackson说。
罗马混凝土的断裂方式不同。Brune和Jackson已经测试了他们的类似物在应力下的表现，将混合物制成半圆形，然后施加压力直到断裂。他们观察到，与极不灵活的物质会断裂并分裂成两半不同，罗马混凝土会将应力分散到许多小裂缝中，而不会失去整体的完整性。“罗马混凝土风格的材料对这种开裂反应非常好，”Brune说，并补充说，这一特性可以解释为什么古老的配方尽管经历地震和水环境的搅动，却能经久不衰。
Masic和麻省理工学院的同事们在一月份发表于《科学进展》（Science Advances）杂志上的一篇论文中报告称，罗马混凝土中发现的白色石灰团块也能保持其坚固性。在实验室实验中，该团队将水连续30天通过开裂的混凝土圆柱体。水一直在流过典型的混凝土断裂样本。但在添加了石灰团块的混凝土中，方解石结晶并填充了这些裂缝。
Jackson和Brune在他们的海洋混凝土复制品中也观察到了类似的自我修复能力。在一项由美国国防部高级研究计划局（ARPA-E）资助、即将发布的实验中，他们再次将混合物制成的半圆形弄裂。当他们将受损的弧形件放入海水中时，化学反应再次开始——新的粘合剂在裂缝中积聚。Jackson说，这就是能够自我修复的混凝土。
新的试验，新岛屿
随着2023年的推进，罗马式混凝土将走向前所未有的远方。美国陆军工程兵团的研究地质学家Charles Weiss，他研究混凝土和其他结构材料，已提交了一项尝试使用Jackson配方的提案。如果位于密西西比州维克斯堡的军事实验室获得资金——“为政府工作，一切都不能确定，”他说——工程兵团的研究人员将浇筑这种材料并将其放置在水中。
与此同时，另一项联邦项目的失败可能帮助推动了Jackson的创造。2018年在南卡罗来纳州，美国能源部的萨凡纳河国家实验室（Savannah River National Laboratory）的科学家们正在尝试制造一种能够安全储存放射性废料的产品。
国家实验室希望制造泡沫玻璃，一种旨在不活跃的泡沫状物质，并聘请了Silica-X团队协助。他们并未成功。混合物不断与周围环境发生反应——这是一个问题，因为如果放射性废料容器溶解，它们可能会释放不稳定的颗粒。但对于核废料来说是坏事，对于旨在应对其环境的海堤来说却是好事。实验室的玻璃设计师认识到了这种潜力，并将Jackson介绍给了该公司。
尽管人们对罗马式混凝土的兴趣日益浓厚，但从那不勒斯开采工业规模的火山灰既不可行也不可持续。相反，Silica-X的首席执行官Philip Galland表示，其生产过程利用美国的非核废料流来获取二氧化硅，然后将其转化为合成火山灰。Galland说，这将是即将举行的长岛海湾实地测试的基础，在一个“能够提供海岸线韧性的区域”。
Silica-X计划在两年内评估这些3.5英尺的立方体样本的耐久性。该公司与纽约州环境保护部和拥有著名陶瓷学院的阿尔弗莱德大学（Alfred University）等合作伙伴一起，将分析该材料作为风暴潮屏障的潜力，以及它作为微生物和其他当地海洋生物栖息地的表现。
与此同时，Jackson回到了她最初的研究主题：火山。她是一个研究冰岛附近一个仅有60年历史的微型火山岛Surtsey的项目首席研究员。Surtsey岛是联合国教科文组织世界遗产，于1963年至1967年间从大西洋喷薄而出，伴随着烟雾和熔岩。“我记得它第一次喷发时，”Jackson说，“因为我爸爸下班回家，告诉我们有一座小火山在喷发。”
在Surtsey岛，科学家们在之前未受人类触及的玄武岩中发现了微生物生命。（除了乘船或直升机抵达的研究团队外，游客禁止进入该火山。）他们钻入了海底，穿过了最后一次喷发多年后仍滚烫的岩石，并检查了那里的火山灰。Jackson认为，当它沉睡时，这个地方可以揭示淹没的罗马混凝土早期发生了什么。
她对该材料的了解，都是从数千年来在水下陈化的样本中获得的。尽管年轻的地质环境并非理想的古代成分复制品——那里的流体与渗透过罗马结构的流体并不完全相同——但Jackson说她已经注意到了一些相似的地球化学过程。火山周围的火山灰和海水为早期反应提供了一个平行，这些反应为伟大的文明提供了建筑基石。这是一个活的实验室，可以教会我们罗马混凝土变化的艺术，这种变化以新岛屿般宏大的规模，或像矿物质数千年来演变般微小的规模得以见证。如果一切顺利，这种强大发明的现代版本将同样能够超越其创造者。
阅读更多 PopSci+ 文章。
