古羅馬建築屹立千年 科學家試圖揭開因由

【2023年01月11日訊】(記者李宛鴻編譯報導)古羅馬時代所建造的雄偉建築,已屹立數千年,至今仍留存於世。這證明了羅馬工程師無與倫比的聰明才智,他們在混凝土的使用上達到了盡善盡美的境界。

然而,他們所使用的建築材料,究竟是如何在萬神殿(有著世界上最大的無鋼筋圓頂)、羅馬競技場等巨大建築物中發揮作用,使它們能留存超過兩千年呢?

在許多案例中,羅馬建築的混凝土都被證實較為耐用。與它們相當的現代混凝土,則會在數十年內就毀壞。在1月6日發表於《科學進展》(Science Advances)期刊的研究中,科學家表示,他們終於明白了其中的神祕成分,如何使羅馬人的建築材料歷久不壞,還能在如碼頭、下水道及地震帶等較為棘手的環境中,創造出如此精美複雜的建築結構。

團隊中包含美國、意大利和瑞士的研究員。他們分析的混凝土樣本,來自意大利中部考古遺址普里韋爾諾的城牆,其有兩千年歷史,並且與整個羅馬帝國發現的其它混凝土有相似的組成。

他們發現混凝土中被稱為石灰碎屑(lime clasts)的白色厚塊,使混凝土能修復因時間而產生的裂縫。然而先前這些白色的塊狀物都被科學家忽略了,只把它們視作混凝土混合過稀或使用劣質原料的證據。

「在我看來,很難相信古羅馬工程師會出現這樣的失誤,因為無論在挑選或是處理材料上,他們都相當謹慎。」新研究作者,來自麻省理工學院土木與環境工程學的副教授阿德米爾.馬斯(Admir Masic)表示。

「學者寫下了精確的混凝土製作法,且廣泛實行於羅馬帝國境內的工程中。」馬斯補充。

本次的新發現有助於使今日混凝土的製造更加耐久,甚至可能改變整個社會,達到羅馬人曾經的輝煌。

「混凝土導致羅馬人出現了建築革命。」馬斯說,「羅馬人有能力創造,並將城市變成美麗且令人驚豔的居住地。此革命基本上徹底改變了人類生活居住的方式。」

石灰碎屑與混凝土的耐用性

混凝土本質上為人造石頭,由水泥混合所構成。水泥是一種黏合劑,原料通常有石灰岩、水、細粒料(砂或細碎石)和粗粒料(礫石或碎石)。

馬斯說,羅馬文檔曾顯示黏合劑中有使用熟石灰,這也是為何過去學者們斷定羅馬的混凝土是由熟石灰所製成。

隨著進一步調查,研究員發現石灰碎屑的產生,與混合混凝土時使用生石灰(氧化鈣)有關,可能為單獨使用生石灰,或生石灰與熟石灰結合。熟石灰是石灰與其它成分混合前即先加水混合,生石灰則為乾燥形式的石灰岩,極具活性與危險性,易起化學反應。

對混凝土進行更多的分析顯示,極高溫度下所形成的石灰碎屑與生石灰的使用有關,而「熱拌」(hot mixing)則是混凝土持久耐用的關鍵。

「熱拌法的好處是雙重的。」馬斯在一份新聞稿中提到,「首先,當混凝土整體加熱至高溫,其化學特性便能充分發揮,產生除高溫外不能產生的化合物,若只使用熟石灰則無法。此外,升高的溫度大幅減少了固化及凝固時間,因所有的化學反應都加速了,建造過程也能更加迅速。」

為調查羅馬的混凝土能自我修復的能力是否來自石灰碎屑,研究團隊進行了一項實驗。

他們製作了兩種混凝土樣本,一種依循羅馬人的配方,另一種則按照現代標準,接著故意使樣本產生裂縫。兩週後,水無法流過依羅馬配方所製作的混凝土,然而卻可順利穿越不含生石灰的混凝土塊。

他們的研究成果指出,石灰碎屑能溶解於裂縫中,並在暴露於水中後再結晶,使由侵蝕、風化所形成的裂縫擴大前便癒合。研究人員表示,這項自我修復的能力,為製作更加耐久,因而更永續的現代混凝土創造了條件。這將減少混凝土的碳足跡,根據研究,其占全球溫室氣體排放量的8%。

多年來,研究員一直認為是來自拿坡里灣波佐利地區的火山灰,使得羅馬建築物如此堅固。火山灰被運送至廣大的羅馬帝國各地,於建造中使用。且在當時建築師和歷史學家的記載中,這種灰被視為混凝土的重要原料。

馬斯表示,這兩種成分都相當重要,然而石灰在過去一直被忽視。◇

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