许多罗马建筑至今仍屹立不倒，耐久性远高于现代混凝土。
例如，公元1世纪贵族女性凯西莉亚·梅特拉的大型圆柱形陵墓，是历史最悠久的留存建筑之一。
以下将探讨如何从中汲取灵感，建造更可持续、更经久耐用的现代建筑。
混凝土使用几十年后往往开始开裂、剥落——但奇怪的是，许多罗马建筑并非如此。这些建筑至今仍然屹立，尽管经历了足以摧毁现代混凝土的环境考验，依然展现出非凡的耐久性。
其中一座建筑是公元1世纪贵族女性凯西莉亚·梅特拉的大型圆柱形陵墓。一项新研究由麻省理工学院科学家及其同事开展，并发表于《美国陶瓷学会会刊》的研究表明，她陵墓的混凝土质量可能优于其男性同时代人的纪念建筑。这得益于建造者选用的火山集料，以及雨水和地下水历经两千年所产生的特殊化学作用。
该研究的主要共同作者、麻省理工学院土木与环境工程副教授阿德米尔·马西奇，以及犹他大学地质学与地球物理学研究副教授玛丽·杰克逊携手合作，旨在了解这座古代混凝土建筑的矿物组成。
马西奇说：“了解古代材料的形成过程，可以为研究人员提供新思路，帮助他们创造耐久、可持续的未来建筑材料。凯西莉亚·梅特拉的陵墓是至今仍存的最古老建筑之一，能为现代建筑提供启发。”
凝聚力非同寻常的混凝土
凯西莉亚·梅特拉的陵墓位于一条古罗马道路旁，这条路也被称为阿庇亚大道，是古阿庇亚大道上的一处地标。陵墓由一座圆形大厅式塔楼和方形基座组成，总高约70英尺（21米），直径约100英尺（29米）。陵墓约建于公元前30年，当时罗马共和国正向罗马帝国转变；公元前27年，奥古斯都大帝领导建立了罗马帝国。这座陵墓被认为是阿庇亚大道上保存最完好的纪念建筑之一。
凯西莉亚本人出身贵族家庭。她嫁入了马库斯·克拉苏的家族。克拉苏曾与尤利乌斯·凯撒和庞培结成著名同盟。
杰克逊说：“这座位于古阿庇亚大道上的纪念建筑兼地标设计十分创新、结构坚固，表明她备受尊崇；2050年后，其混凝土结构依然体现出坚实而韧性的存在。”
这座陵墓展现了罗马共和国晚期精湛的混凝土建造技术。建筑师维特鲁威在凯西莉亚·梅特拉陵墓施工期间曾描述这些技术。用砂浆砌筑厚墙，砂浆由石灰和火山灰（爆炸性喷发产生的多孔玻璃与晶体碎片）制成，墙体则采用粗砖或火山岩集料；这样建成的建筑“历经漫长岁月也不会沦为废墟”。
如今仍屹立的众多罗马建筑印证了维特鲁威的话，其中包括图拉真市场（建于公元100至110年，距这座陵墓建成已逾一个世纪），以及码头、防波堤等海上建筑。
不过，古罗马人无法预料的是，火山集料中富含钾的白榴石矿物晶体会随着时间推移而溶解，从而有益地改造并重组火山集料与水泥质胶结基质之间的界面，增强混凝土的凝聚力。
马西奇说：“如果着重设计能够不断强化界面区的现代混凝土，或许能为提升现代建筑材料的耐久性提供另一种策略。将历经时间验证的‘罗马智慧’融入其中，可以形成一种可持续策略，使现代方案的使用寿命提升几个数量级。”
琳达·西摩（2014届校友，2021年获博士学位）曾作为麻省理工学院马西奇实验室的博士生参与这项研究，她使用科学工具研究混凝土的微观结构。
西摩说：“我们使用的每一种工具，都为了解砂浆中的过程提供了一条线索。”扫描电子显微镜展示了砂浆建筑单元在微米尺度上的微观结构；能量色散X射线能谱分析则显示了构成这些建筑单元的元素。她说：“这些信息让我们能够迅速探查砂浆的不同区域，并挑选出与研究问题相关的建筑单元。”她补充说，诀窍在于当目标建筑单元的尺寸只有一根头发丝宽时，仍能用每台仪器精准定位同一个目标。
独特强韧材料背后的科学
在凯西莉亚·梅特拉陵墓厚实的混凝土墙体中，含有火山灰的砂浆将大块砖料和熔岩集料黏结在一起。这与120年后图拉真市场所用的砂浆相似。图拉真市场砂浆的胶结材料包括一种称为C-A-S-H胶结相（钙铝硅酸盐水合物）的建筑单元，以及一种名为斯特林石的矿物晶体。
不过，罗马人用于凯西莉亚·梅特拉陵墓砂浆的火山灰中，富含钾的白榴石含量更高。数百年来，雨水和地下水渗入陵墓墙体，溶解白榴石并将钾释放到砂浆中。在现代混凝土中，钾含量过高会形成膨胀凝胶，导致微裂纹，最终使结构劣化。
然而在这座陵墓中，钾溶解后重新构造了C-A-S-H胶结相。
西摩说：“X射线衍射和拉曼光谱技术让我们能够探究砂浆发生了怎样的变化。我们看到，一些C-A-S-H区域历经2050年仍然完好，另一些则出现分裂、呈絮丝状，或在形态上有所不同。尤其是X射线衍射，让我们能够分析絮丝状区域，深入到其原子结构。我们发现这些絮丝状区域正呈现出纳米晶体特征。”
杰克逊说，经过改造的区域“显然在混凝土中形成了坚实的凝聚力组成部分”。与图拉真市场不同，这些结构中形成的斯特林石很少。
负责陵墓考古工作的斯特凡诺·罗阿斯乔指出，这项研究对于理解其他使用红色火山灰集料的古代和历史混凝土建筑具有重要意义。
马西奇说：“任何混凝土中，集料与砂浆之间的界面对于结构的耐久性都至关重要。现代混凝土中，形成膨胀凝胶的碱硅反应可能破坏界面，即使混凝土已经充分硬化也不例外。”
马西奇说：“事实证明，凯西莉亚·梅特拉陵墓的古罗马混凝土界面区通过长期改造持续演变。这些改造过程强化了界面区，并可能提升古代材料的机械性能和抗破坏能力。”
除马西奇、西摩和杰克逊外，该研究的其他共同作者还包括劳伦斯伯克利国家实验室高级科学家田村信道。这项研究部分由美国能源部ARPA-e计划资助。
