反差耐人寻味古罗马厕所的混凝土为何能用2千年-信息时代-万维读者网（电脑版）
www.creaders.net | 2026-10-15 18:35:11 南方周末 | 0 条评论 | 查看/发表评论 
现代混凝土取得了古人难以想象的成就。我们可以用它建造数百米高的摩天大楼、跨越江海的大桥、巨型水坝和深入地下的隧道。通过调整原料、配合比和制备方法，今天的混凝土可以在较短时间内获得很高的强度，也能适应复杂的工程需求。
但强度高并不等于耐久性也强。混凝土内部存在许多肉眼看不到的孔隙，服役过程中也可能逐渐出现微小裂纹。水、盐分和二氧化碳会沿着这些通道进入材料内部；温度变化、环境侵蚀和长期受力也在不断改变它。对于钢筋混凝土，一旦保护钢筋的内部环境发生变化，钢筋便可能锈蚀、膨胀，进一步导致混凝土开裂。
这就带来一个耐人寻味的反差。我们已经能够制造强度远高于古代材料的现代混凝土，却仍在研究怎样让它安全服役50年、100年甚至更久。与此同时，地中海沿岸一些用了近两千年的古罗马混凝土，今天依然保存着。这是为什么呢？
最近，加州大学伯克利分校土木与环境工程系、北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室等机构开展的一项研究，通过分析古罗马厕所遗址中的混凝土，找到了一些答案。
研究剖析了这些用了上千年的材料的内部结构后发现，时间留下的并不全是破坏。古罗马混凝土中富含钙的组分，在漫长岁月中与周围的水和二氧化碳相互作用，逐渐形成更稳定的碳酸盐矿物，使得这些混凝土得以耐用千年。
古罗马厕所混凝土样本切开后的断面图。图片来源：Science Advances
混凝土中隐藏着微观变化
这块混凝土取自意大利罗马附近的哈德良离宫，作为罗马帝国皇帝为自己修建的宫殿，该处建筑自公元2世纪至今，保留了一些从未被后世扰动的原始材料。其中就包括宫内的一处公厕，这为研究罗马帝国的混凝土提供了难得的条件。
以往关于古罗马混凝土的研究已经发现，里面的火山灰、石灰以及由此产生的特殊矿物反应，与它的耐久性密切相关。2026年7月发表在《科学进展》杂志（Science Advances）的这项最新研究，主要关注和验证碳化作用，了解在漫长的时间里，这些物质究竟经历了什么，为理解这些混凝土提供了更多的细节。
今天，很多人恐怕难以想象，如果世界上的混凝土突然消失，我们的生活会变成什么样。因为那意味着我们居住的楼房，每天经过的道路和桥梁，乘坐地铁、高铁和飞机所依赖的车站、隧道和机场，还有港口、水坝以及城市地下大量看不见的基础设施，都会随之失去支撑。
正因为它太常见，几乎在所有存在大规模人类活动的地方，都能找到这种看似普通的灰色材料，以至于我们很少意识到，它是现代文明最重要的物质基础之一。然而，它的核心材料——现代波特兰水泥，真正进入历史只有大约两百年。
1824年，英国泥水匠约瑟夫·阿斯谱丁在利兹申请了一项专利。他把自己的产品命名为“波特兰水泥”，因为这种材料硬化后的颜色和外观与英国波特兰岛出产的石材相似。此后的两个世纪里，水泥生产技术不断发展，波特兰水泥逐渐成为现代混凝土最重要的胶凝材料。
肉眼看去，它们只是普通的水泥块。但如果把这些不起眼的灰色碎块切开、磨平，再放到显微镜下去看，却会呈现另一个世界：不同的矿物、孔隙和反应产物交织在一起。它看起来像石头，却不是一块永远不变的石头。而两千年前的混凝土同样如此。
能自我愈合并加固的结构
最新研究正是借助显微镜，还原了古罗马混凝土中微观结构的形成过程。如果把混凝土内部想象成一座微型城市，孔隙和微裂隙就像其中的空地和小巷。近两千年来，水和二氧化碳不断进入这些空间，与材料中富含钙的组分发生反应。一些新的碳酸盐矿物，就这样慢慢“长”在原有的孔隙和微裂隙里。它们不能让已经断裂的结构重新完好如初，却能在微观尺度上使局部结构变得更加致密，有些像材料内部缓慢形成的“天然补丁”。
这并不是说古罗马混凝土不会老化，更不能简单理解为“二氧化碳对混凝土有好处”。这些被解码的微观变化实际上告诉我们，时间对材料的作用未必永远只有性能退化这一个方向，也可能在特定条件下变得有利于长期稳定。而古罗马混凝土经历的近两千年，恰好为我们留下了一场现代实验室几乎不可能完成的超长期材料实验。
不过，虽然古罗马混凝土保存至今，但这并不意味着古代材料全面胜过现代混凝土，更不意味着要在今天的建筑中复制古罗马的配方。因为今天的建筑高度、交通荷载、施工速度和安全标准，都与古代完全不同。现代工程也离不开钢筋、标准化生产和快速施工，而对于现在广泛使用的钢筋混凝土，碳化反而可能破坏钢筋原有的保护环境，带来腐蚀风险。因此，我们不可能简单照搬一个两千年前的配方。
古罗马材料真正提供的，是另一种思考这些物质保持长寿命的方式。过去我们常希望尽可能把水、盐分和二氧化碳挡在混凝土外面。现在这当然仍很重要，但我们或许可以通过进一步设计材料的组成和内部结构，让其中一部分环境作用在可控条件下，反过来帮助材料填充微小缺陷，或者让材料在出现轻微损伤后，具有一定的自我填充能力，以此延长材料的寿命。而这些问题正在成为现代材料科学新的研究方向。
混凝土应“活”得更久
过去两百年，水泥和混凝土帮助人类不断突破工程极限。更高的强度、更快的施工速度和更大的跨度，支撑了今天的城市。现在，我们还需要回答另外几个问题：建造过程能否排放更少的碳？结构能否使用更长时间？材料能否更从容地面对损伤和环境变化？
这些问题彼此关联，将深刻影响人类未来的生活。因为，建造需要消耗材料和能源，如果一座建筑或一座桥梁，能够在保证安全的前提下多使用几十年，就可以减少过早维修、拆除和重建带来的资源消耗与碳排放。因此，评价低碳混凝土时，不能只计算生产一吨材料排放多少二氧化碳，还应把它能安全服役多久考虑进去。这意味着，生产时少排碳、使用时活得久、受到轻微损伤后不那么容易失效，应当成为同一套设计中的目标。
从哈德良离宫中保存近两千年的古老材料，到1824年的波特兰水泥，再到今天遍布全球的现代混凝土，这些材料的变化告诉我们，研究水泥和混凝土，归根结底是在研究材料与时间的关系。
两百年前，人们最关心的是怎样制造一种更好用的水泥。此后，人们学会了怎样把混凝土做得更强，怎样用它建造更宏伟的工程。而今天，当这种材料已经遍布我们的生活时，我们还应该多问一个问题：这些刚开始强度很高的混凝土，在一百年以后会变成什么样？
古罗马人无法回答今天的低碳建筑和现代基础设施问题，但他们留下的材料，替时间保存了一部分答案。我们要做的，不是回到古罗马，而是从这场持续近两千年的“实验”中，重新理解怎样建造一个真正经得住时间考验的世界。