将“自修复”罗马混凝土引入美国海岸线的项目

古罗马人是混凝土大师，他们将沙子、水和岩石混合在一起，打造出经久不衰的奇迹。他们用混凝土建造的桥梁、体育场和其他建筑物至今仍屹立不倒，甚至连被潮汐和风暴浸泡了近 2000 年的港口和防波堤也屹立不倒。这种物质在微观层面上非常坚固，比现代材料要耐用得多，现代材料通常需要在盐水中用钢支撑，而且几十年后仍可能腐蚀。

随着罗马帝国的灭亡，其海洋混凝土的制作方法也随之终结。但通过追踪古代建筑中的化学线索，当今的科学家重新发明了这项技术。近年来，研究人员利用考古学、土木工程和火山学等不同领域的经验，对海洋混凝土的理解越来越深入。他们从海底打捞出装有这种古老物质的试管。他们用 X 射线对其进行照射，以观察其微观矿物质。现在，他们又发明了自己的工业版本。

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。专门生产实验玻璃的美国公司 Silica-X 计划从今年夏天开始将四五块混凝土板放入长岛海峡。与当今几乎所有其他设计用于抵抗环境的混凝土产品不同，这些重达 2,600 磅的样品将适应水生环境，并且预计随着时间的推移会变得更加坚固。

当水流过多孔固体时，材料中的矿物质会溶解，并形成新的强化化合物。“这实际上是罗马混凝土的秘密，”犹他大学地质和地球物理学研究副教授玛丽·D·杰克逊说，她正在利用高级研究计划署能源部 140 万美元的资助重启这种材料，高级研究计划署能源部是一个支持早期技术研究的联邦计划。

杰克逊花了十多年时间研究罗马混凝土遇上海水会发生什么。她是与 Silica-X 合作的团队的一员；即将被浸入纽约河口的混凝土原型就是根据她的配方制作的。

“百分之百，玛丽是最重要的人”，她的经常合作者、谷歌硬件开发人员菲利普·布鲁内说。十多年前，当布鲁内还是一名博士生时，他和杰克逊创造了第一个他们称之为罗马混凝土类似物的东西。在制作出一种陆地类型（类似于万神殿和图拉真市场的基础）后，他们转向了海洋变体。

杰克逊为这些历史复制品想出了一个应用方案：抵御气候变化的影响。美国国家海洋和大气管理局预测，到 2050 年，美国沿海地区的海平面将平均上升 10 到 12 英寸。现代混凝土海堤大约每 30 年需要更换一次，已经覆盖了美国海岸线的很大一部分。如果海浪继续上涨，就必须找到一种更耐用、更可持续的方法来加固我们的海岸线。

混凝土的二重性

混凝土的成分和糖饼的成分一样简单。除了水和空气，混凝土还需要一种称为骨料的颗粒状材料，骨料可以是沙子、砾石或碎石。另一种必需品是水泥，这是一种将成分粘合在一起的矿物胶。波特兰水泥于 19 世纪中叶在英国发明，至今仍是大多数现代混凝土配方的基础。这种混合物可产生始终如一的强效产品。“你可以用同样的成分在火星上制造它，而且你知道它会起作用，”麻省理工学院混凝土可持续性中心土木与环境工程副教授兼首席研究员 Admir Masic 说。

波特兰水泥的生产过程是有害的：它不仅需要大量淡水和能源，还会释放大量二氧化碳。加州大学戴维斯分校土木与环境工程助理教授萨比·米勒表示，水泥生产过程占全球_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，那么其温室气体排放量将是全球第三大，仅次于中国和美国。

米勒表示，混凝土行业意识到其产品的环境遗产，并愿意努力做出改变。例如，全球建筑集团海德堡水泥于 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基岩中。正在开发的其他类型的混凝土旨在将污染封存在材料本身中。米勒正在研究将碳转化为固体可储存矿物的技术，他说这些技术“还处于非常早期的阶段，我们拭目以待是否可行”。

研究人员表示，效仿罗马人制造混凝土应该可以减少有害排放，这在很大程度上是因为这种物质不需要经常更换。然而，这种古老的工艺并不能产生如此高的抗压强度——这种资源无法支撑超高层建筑或交通繁忙的桥梁。在曼哈顿的混凝土中心，“我们不会使用罗马风格的材料，”马西奇说，他与杰克逊和另外两人合著了一篇关于罗马凯西莉亚·梅特拉墓建筑材料反应的论文，并发明了一种他称之为“自愈”的物质。相反，他说，这种永恒的混合物可以制成抗磨损的道路、抵御海浪的墙壁和封闭核废料的地下室。

罗马式混凝土最擅长的是持久耐用，因为它能在几天内自我修复。“这种材料具有非凡的耐久性，”布鲁内说。“在建筑环境中，没有其他材料能像它一样保持如此的完整性和保真度。”赋予它这种能力的关键成分是意大利波佐利的沙状火山灰。

从火到海

杰克逊最初并没有打算揭开罗马混凝土的秘密。她对火山学和岩石力学很感兴趣，于 20 世纪 80 年代末和 90 年代初研究了夏威夷的莫纳罗亚火山。1995 年，她和家人在罗马呆了一年，住在马克西穆斯竞技场遗址附近，那里曾经是一个巨大的战车比赛场。在那里，她对这座城市著名的古典建筑中融入的火山岩产生了浓厚的兴趣。

罗马混凝土一直是学术界研究的热门话题——历经数千年而依然屹立不倒的建筑往往引人注目。但杰克逊凭借地质学家的眼光，看到了表面之下的强大力量。“除非了解火山岩，否则很难理解这种材料，”她说。在她的分析中，杰克逊专注于火山喷发时喷出的碎屑和凝灰岩，即火山喷发后形成的岩石。

她与另外四位科学家合作撰写了第一篇关于罗马建筑材料的论文，该论文于 2005 年发表在《考古测量学》杂志上。该团队描述了古代建筑者收集凝灰岩和石头的七个沉积物。这些都是罗马南北两座火山爆发的产物。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杰克逊所说的城市周围的“战略位置”上。

当她在永恒之城检查材料时，其他人则在海里搜寻。三位学者和潜水员——古典考古学家罗伯特·L·霍尔费尔德和约翰·奥尔森，以及伦敦建筑师克里斯托弗·布兰登——于 2001 年启动了罗马海上混凝土研究。在接下来的几年里，他们从埃及、希腊、意大利、以色列和土耳其收集了数十个核心样本，这些样本取自 10 个罗马港口遗址和一个piscina （一种用于圈养食用鱼的海边水箱）。

他们视察的一些地点都是巨大的建筑：凯撒利亚巴勒斯坦是一座港口城市，建于公元前 22 年至公元前 10 年希律王统治期间，罗马人用约 20,000 公吨的火山灰建造了一个港口。

为了探查废墟内部，考古学家需要重型机械。维多利亚大学名誉教授奥尔森说：“过去，人们会从海底一块大约 400 立方米的大型混凝土块的外部敲掉一些碎片。”但这种方法存在缺陷。由于海水侵蚀，混凝土块的表面已经腐烂，因此，无论碎裂了什么，都可能无法代表内部深处的情况。他说：“你还用锤子敲打它”，这可能会破坏测量其材料强度的机会。

该项目需要更精确、更深入的触觉。意大利的一家水泥公司 Italcementi 提供了资金，并帮助这三人获得了专门的液压取芯钻机。他们潜入地中海海底，花了几个小时钻探，取出长达 20 英尺的圆柱形岩芯。“这很困难，”奥尔森说。“在亚历山大这样的地方，由于所有你不想考虑的事情，能见度还不到你的手臂长度。”

这项努力得到了回报。此前没有人能够看到水下建筑的各层。当时的观点是，混凝土必须非常坚固，才能在海水中持续数千年。但事实并非如此，奥尔森和他的同事发现：“从现代工程角度来看，它相当脆弱，”他说。然而，它的火山元素却非常一致。奥尔森推测，谷物船使用那不勒斯火山灰作为压舱物，将其运送到距离其来源数百英里的工作地点。

2007 年，三人关于海水混凝土的报告在美国考古研究所年会上获奖。“我站在那里，沐浴在荣耀之中，一位身材矮小、兴奋的女人走过来和我说话，”奥尔森回忆道。这位陌生人就是杰克逊，奥尔森说，杰克逊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。奥尔森从未上过大学化学课，但他认出了一位志趣相投的人——这位地质学家拥有他的团队所需要的专业知识。

他们允许杰克逊接触海洋样本。当她仔细观察内部时，她发现了纳米级的化学实验室。

岩石中的反应

罗马作家老普林尼在其公元一世纪的著作《自然史》中写道，有一种粉尘“一旦接触到海浪并沉入水中，就会变成一块坚不可摧的石块，而且每天都变得更加坚固”。这些湿润的颗粒——火山灰——究竟是如何变得更加坚固的，这在近 2000 年的时间里都未得到揭示。

当杰克逊调查奥尔森和他的同事获得的核心样本时，她发现了一些与她在罗马大都市建筑混凝土中看到的相同的特征。但在沉没的物质中，她还看到了她所说的矿物循环：一种循环反应，其中化合物形成、溶解并形成新的化合物。

为了制作混凝土，罗马人将火山灰与熟石灰混合。这加速了一种名为钙铝硅酸盐水合物（简称 CASH）的矿物胶的产生。（纯现代混凝土 CSH 的主要成分是一种类似的粘合剂。）杰克逊说，这种情况发生在安装后的头几个月内。在五到十年内，材料成分会再次发生变化，通过一种微观内部重塑消耗掉所有的熟石灰。到那时，渗透液“开始真正发挥作用”，因为它会在内部产生持久的水泥状矿物质。

杰克逊和一组科学家利用先进的显微镜和 X 射线技术，包括劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的研究，来观察这些强大但微小的晶体。“我们能够系统地展示罗马海水混凝土随着时间的推移不断变化，”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反应。特别是，她发现了一种名为铝硅酸盐的稀有矿物的坚硬肋状板，这可能有助于防止裂缝，正如她和她的同事在 2017 年发表在《美国矿物学家》杂志上的一篇论文中所写。

海洋本身也发挥着至关重要的作用。罗马工匠用海水制作海洋混凝土混合物，海水中的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，随着流体慢慢渗透到笨重的建筑物中，生命就会在外墙上繁衍生息。蠕虫会长出管子，其他无脊椎动物会长出壳。

与此同时，现代钢筋混凝土需要较高的 pH 值来保护内部的钢筋，这意味着其表面对生物不太友好。布鲁内指出，一旦浇铸完成，经过大约 28 天的硬化和固化，其坚固性就接近最大限度。（目前正在尝试让新型混凝土具有自我修复能力，例如将产生石灰石的细菌孢子注入材料中。）

具体来说，使用波特兰水泥制成的混凝土既脆又硬。在过度的压力下，混凝土会开裂，有时会发出尖锐的断裂声，并蔓延开来，导致大面积破坏。“这种材料承受进一步负荷的能力消失了。它已经断裂了，”杰克逊说。

罗马混凝土的断裂方式不同。布鲁内和杰克逊测试了他们的类似物在压力下的断裂情况，用混合物制成半圆形，并将它们压到开裂点。他们观察到，与那些会破裂并基本上分裂成两半的极其不灵活的物质不同，罗马混凝土会将压力转移到许多小裂缝上，而不会失去其整体完整性。“罗马混凝土式材料对这种开裂的反应非常好，”布鲁内说，并补充说，这一特点可以解释为什么这种古老的配方在地震和水生环境的动荡中经久不衰。

马西奇和麻省理工学院的同事在 1 月份的《科学进展》论文中报告称，罗马混凝土中的白色石灰块也能保持混凝土的坚固。在实验室实验中，该团队将水通过有裂缝的混凝土圆柱体排水 30 天。水不断流过典型混凝土的破碎样品。但在添加了石灰块的混凝土中，方解石结晶填补了缝隙。

杰克逊和布鲁恩在他们的海洋混凝土复制品中观察到了类似的自我修复能力。在由高级研究计划署能源资助的即将发表的实验中，他们再次将混合物的半圆打碎。当他们将受损的弧形放入海水容器中时，化学反应恢复了——新的胶水积聚在裂缝中。杰克逊说，这就是自我修复的混凝土。

新的尝试，新的岛屿

随着 2023 年的到来，罗马式混凝土将比以往任何时候都走得更远。研究混凝土和其他结构材料的美国陆军工程兵团研究地质学家查尔斯·韦斯已提交了一份尝试杰克逊配方的提案。如果密西西比州维克斯堡的军事实验室收到资金——“为政府工作，没有什么是肯定的，”他说——工程兵团的研究人员将铸造这种材料并将其放入水中。

在其他地方，另一个联邦项目的失败可能也推动了杰克逊的发明。2018 年，在南卡罗来纳州，能源部的萨凡纳河国家实验室，科学家们试图制造一种可以安全储存放射性垃圾的产品。

国家实验室希望制造泡沫玻璃，一种充满气泡的惰性物质，并聘请了 Silica-X 团队来帮忙。但他们没有成功。这种混合物不断与周围环境发生反应——这是一个问题，因为如果放射性废物容器溶解，它们会释放出不稳定的粒子。但对核垃圾有害的东西，对设计用于响应周围环境的海堤却有益。实验室的玻璃设计师认识到了这种潜力，并让杰克逊与该公司取得联系。

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用量的火山灰既不可行也不可持续。相反，Silica-X 首席执行官菲利普·加兰德 (Philip Galland) 表示，其生产过程是从美国非核废料流中挖掘二氧化硅，然后将其转化为合成火山灰。加兰德表示，这将成为即将在长岛海峡进行的实地测试的基础，该测试将在“可以提供海岸线弹性的地区进行”。

Silica-X 计划在两年内评估这些 3.5 英尺立方体的耐久性。该公司将与其合作伙伴——纽约环境保护部和阿尔弗雷德大学（一所颇具影响力的陶瓷学院所在地）一起，分析这种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的栖息地的表现。

与此同时，杰克逊又回到了她最初的研究主题：火山。她是一个研究叙特塞岛项目的首席研究员，叙特塞岛是冰岛附近的一个小火山岛，只有 60 年的历史。叙特塞岛是联合国教科文组织世界遗产，1963 年至 1967 年间，它从大西洋冒出，喷涌着浓烟和熔岩。“我记得它第一次喷发的时候，”杰克逊说，“因为我爸爸下班回家告诉我们，有一座小火山正在喷发。”

在苏特西岛，科学家在以前未被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，游客被禁止进入火山。）他们钻穿了距离上次火山喷发多年后仍然很热的岩石，并检查了那里的火山灰。当火山灰沉睡时，杰克逊相信这个地方可以揭示罗马混凝土沉没的早期发生了什么。

她对这种材料的了解都是从水下数千年形成的物质中收集到的。尽管年轻的地形并不是这种令人垂涎的古老成分的完美复制品——那里的液体与渗透过罗马建筑的液体并不完全相同——但杰克逊说，她已经发现了一些类似的地球化学过程。火山周围的火山灰和海水与早期的反应相似，这些反应为一个伟大的文明提供了基石。这是一个活生生的实验室，可以教会我们罗马混凝土的变化艺术，无论是新岛屿的规模，还是矿物在数千年内的变化，都可以见证这种变化。如果一切顺利，这项强大发明的现代版本将比它的制造者更长久。

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