罗马贵族女性墓揭秘古代混凝土

原创 PAUL,GABRIELSEN 丝路遗产

研究表明古罗马时代砂浆中的化学变化是如何不断加固墓穴的。

随着时间流逝，混凝土会开裂破碎。应该说，绝大部分混凝土会碎裂。在可以破坏混凝土的现代环境下，古罗马的混凝土建筑却屹立不倒，显示出非凡的耐久性。

公元1世纪贵族女性凯奇丽娅·梅特拉的大型圆柱状墓穴便是代表之一。新的研究表明，由于建造者选取的火山骨料及与雨水和地下水之间积累两千多年的不同寻常的反应，其墓穴混凝土的质量可能超过同时期的男性纪念建筑。

犹他大学地质学与地球物理学副教授玛丽亚·杰克逊提到：“这座墓十分新颖又坚固，是阿庇亚大道的标志之一，表明墓主地位崇高。2050年后遗存的混凝土结构证明其坚固耐久。”

该研究发表于美国陶瓷学会会刊，部分受资于美国能源部高级能源研究计划署的“胶凝材料极端耐受性”项目。

谁是凯奇丽娅？

凯奇丽娅墓是古罗马的阿庇亚大道的地标。它包括一座圆筒形的塔和方形基座，高70英尺（21米），直径100英尺（29米）。这座墓建于公元前30年，罗马共和国与奥古斯都开创的罗马帝国（公元前27年）转变之际。它是阿庇亚大道保存最完好的纪念建筑之一（墓旁一座城堡建于14世纪）。

凯奇丽娅出身富贵，是执政官的女儿。她嫁与马库斯·李锡尼·克拉苏，一位与凯撒和庞培形成“前三头同盟”的罗马将军与政治家。凯奇丽娅的生平不详，但其墓穴之重要引起数世纪以来游客的关注。其中，拜伦在19世纪早期所著《恰尔德·哈罗尔德游记》提到了该墓穴，在描绘了堡垒一般的结构后，发问：“这坚不可摧的塔是什么？其内又蕴含怎样的宝藏？哦，是一位女性的墓。”

杰克逊于2006年与考古学家多托雷萨 丽萨·吉安米歇尔一道参观该墓穴，并从罗马考古局获准收集到一些砂浆样本用于分析。她说：“那是六月份十分暖和的一日，但当我们拾级而下行至墓穴走廊之时，空气变得潮冷。”她注意到结实紧凑、近乎完好的砖墙与底部构造上几近水饱和的火山岩露头。她补充道，“那儿十分宁静，只有建筑中央上鸽子们拍动翅膀的声音。”

凯奇丽娅墓穆尼奥斯走廊的砖面混凝土，图源“玛丽亚·杰克逊

古罗马混凝土是什么

在具体展开之前，让我们先看看“混凝土”的概念。沿着大部分马路边走走，你可以发现混凝土是由骨料（岩砂和砾石）和水泥粘合剂。现代人行道的水泥可能是波特兰水泥，在窑中高温加热石灰石和粘土矿物质形成熔渣，碾碎后加入少量石膏。

这座墓穴是罗马共和国晚期不使用水泥的高超混凝土建筑技术典型代表之一。凯奇丽娅墓修建同期的古代建筑师维特鲁威曾描述过这些技术：用粗砖或者火山岩骨料与熟石灰和火山熔岩屑（火山爆发产生的玻璃或晶体碎片）制成的砂浆一起修建厚墙，便可造出“经久不倒”的建筑物。

今日仍屹立的罗马建筑表明维特鲁威所言非虚，包括图拉真市场（建于公元100-110年间，墓穴修建后一个世纪之后）和许多海事工程如码头和防波堤等等，也是杰克逊及其同事的研究对象。

然而，古罗马人所不知道的是，火山灰聚合物中富含钾的白榴石晶体如何随着时间溶解而有重塑和重组混凝土的粘合性。

墓穴底部构造中火山灰上的熔岩，图源：玛丽亚·杰克逊

为了解混凝土的矿物质结构，杰克逊协同麻省理工学院的研究员琳达·希穆尔和阿迪曼儿·马西奇与劳伦斯伯克利国家实验室的诺布米奇·塔穆拉，用一系列科学手段分析混凝土的微观结构。

塔穆拉用先进光源光束线12.3.2进行分析，得出结论：“古代砂浆的样本十分复杂，成分繁多，由从微米到纳米不同颗粒级别的不同晶体阶段混合物组成。”为了辨别样本中不同的矿物质，需要先进光源微衍射光束这样的设备，产生研究所需要的可穿透整个样本厚度的微米级、非常明亮和充满能量的笔状X射线光束。

希穆尔，麻省理工博士生和工程公司 Simpson, Gumpertz & Heger项目顾问，从事样本的另一分析。她说：“我们使用的每一种工具都为砂浆的形成过程提供线索。”扫描电子显微镜显示砂浆砌块微米级的微观结构。能量色散X射线光谱分析显示了构成每一个砌块的组成部分。“这一信息可以让我们迅速探知砂浆的不同区域，并从中挑出与我们的课题相关的砌块。”她说，诀窍在于用每个仪器准确瞄准同一砌块，尽管目标只有一根头发粗细。

墓穴砂浆的扫描电子显微镜图像。C-A-S-H结合相呈现灰色而火山岩渣（或白榴石晶体）呈现浅灰色。图源玛丽亚·杰克逊

为什么凯奇丽娅墓的混凝土如此不同寻常？

凯奇丽娅墓的混凝土厚墙中，一种含有Pozzolane Rosse 火成碎屑流（从阿尔班火山附近爆发的热火山灰与气体密质）附近火山灰的砂浆与大量砖块和岩浆骨料相结合。120年以后的图拉真市场也使用了同一砂浆。

在以前对图拉真市场砂浆的分析中，杰克逊和塔穆拉及其同事探索砂浆的“粘合剂”，由一种C-A-S-H（钙-铝-硅酸盐-水合物）结合相的砌块还有一种矿物质strätlingite组成。strätlingite晶体阻隔砂浆中微观开裂的增长，防止其连接在一起从而破坏混凝土结构。

但是凯奇丽娅墓中砂浆使用的火山灰富含钾的白榴石。经过数世纪雨水与地下水对墓墙的渗透，白榴石溶解并释放出钾物质到砂浆中。在现代混凝土中，大量的钾会产生膨胀凝胶，导致微裂从而破坏结构。

然而，墓穴中的钾溶解并重新配置了C-A-S-H结合相。希穆尔说，X射线微衍射与罗马光谱分析技术使得他们可以探测砂浆是如何变化的。“我们看到2050年后C-A-S-H范围依然完整，有些则开始破裂、微小或者形态上变异。”X射线微衍射使得人们可以进行小到原子结构的微小范围分析。“我们发现微小范围呈现出纳米-晶体本质。”

杰克逊说：“显然，经过重塑过程，混凝土产生了坚固的聚合成分。”与图拉真市场不同的是，这些建筑中并未形成多少strätlingite 。

负责墓穴的考古学家斯蒂芬诺·罗斯奇欧注意到该成果对研究使用Pozzolane Rosse 骨料的其他古代重要混凝土建筑颇具意义。

麻省理工城市与环境工程学的副教授阿迪曼儿·马西奇表明，骨料与混凝土之间的砂浆是结构耐久性的基础。在现代混凝土中，形成膨胀凝胶的碱硅反应可能会损害即使最坚硬的混凝土表面。

他说：“凯奇丽娅墓中古代混凝土的界面区通过长期重塑持续演变。这些重组过程巩固了界面区并助于提高机械性能，抵御古代材料损耗。”

墓穴砂浆的扫描电子显微镜图像。其完整而微小的C-A-S-H特征显示为灰色，火山聚合物显示为白色

我们能重现奇效吗？

杰克逊及其同事正致力于在现代混凝土中复制罗马人的成功，尤其是美国能源部高级能源研究计划署的一个项目鼓励研发混凝土中类似积极反应的聚合物——以工程细胞岩浆物质代替古罗马建筑中的火山灰。据计划署所言，目标是一种类似罗马的混凝土，能够减少混凝土生产与安装过程85%的能量流失，且提高现代海蚀混凝土50年寿命的四倍。

马西奇道：“专注将现代混凝土设计与界面区持续加固相结合，或可为我们提供另一条改善现代建筑材料耐久性的思路。通过融合经过时间检验的”罗马智慧”，人们可找到一种将现代解决方案的寿数提高数个数量级的可持续策略。”

译者：景知

校对：李尔吾

原标题：《罗马贵族女性墓揭秘古代混凝土》

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