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為何萬神殿能屹立 2 千年?MIT 科學家:古羅馬混凝土能自我修復


古羅馬人是工程大師,許多當時的建築遺跡至今仍在,甚至還可使用,這些建築很多是用混凝土建造,如羅馬著名的萬神殿圓頂,就是世界最大無鋼筋混凝土圓頂,公元 128 年落成,至今完好無損,對比許多現代混凝土結構幾十年後就倒塌,古羅馬配方肯定不同。科學家發現,原來古羅馬混凝土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如碼頭、下水道和海堤,或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某種成分,即火山灰材料,如那不勒斯灣波佐利地區的火山灰。後來科學家發現,古代混凝土還包含毫米級亮白色礦物,這些白色塊狀物稱為石灰碎屑,源自石灰,現代混凝土配方找不到。

原本科學家認為古羅馬人將熟石灰與火山灰混合,但麻省理工學院、哈佛大學及義大利和瑞士科學家認為沒這麼簡單,微小石灰碎屑讓混凝土自癒,因這些材料與科學家預期略有不同,混合技術也不同。

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關鍵在多使用了生石灰。研究發現,羅馬混凝土的石灰碎屑,可能是將生石灰直接與火山灰和水極高溫時單獨混合,或與熟石灰混合,研究團隊稱為熱混合產物,石灰碎屑會形成特有脆性奈米顆粒結構,為容易破碎和反應的鈣源提供關鍵的自我修復功能。

一旦混凝土內部出現微小裂縫,鈣源就會優先穿過高表面積的石灰碎屑,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,會在裂縫擴散前自動修復裂縫。

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研究團隊還驗證製作古代和現代配方的熱拌混凝土樣品,故意讓樣品裂開,然後讓水從裂縫流過,結果不到兩週,古代配方混凝土裂縫就完全癒合,水也無法穿透。但沒有生石灰的混凝土從未癒合,水不斷流入。科學家認為,2000 年前建造的羅馬海堤混凝土,能在海洋不斷沖擊下仍完好無損屹立數千年,關鍵原因就在自癒。

科學家認為,更耐用的混凝土配方不只延長材料使用壽命,還可提高 3D 列印混凝土配方的耐用性,也能減少水泥對環境的影響。研究刊登於《科學進展》期刊。

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