罗马的古迹为何还屹立不倒？

　　近 2000 年过去了，尽管发生了地震、洪水和军事冲突，罗马斗兽场和万神殿如何仍然屹立不倒？
　　罗马斗兽场，游客有足够的空间来想象超过 50,000 人的喧闹人群，他们曾经涌入竞技场，参加从血腥角斗士到华丽的游行和战车比赛等各种活动。也被称为弗拉维安圆形剧场，该场地于公元 80 年盛大开幕，连续 100 天进行了比赛和血腥表演，据说其中包括屠杀约 9,000 只动物。椭圆形结构高四层，最宽处为 188m，仍然是世界上最大的圆形剧场。
　　大约在 40 年后建造，万神殿拥有一个令人费解的圆顶，它跨越 43m 的空气，并在其顶点形成一个瞳孔状圆形窗户，称为眼睛，自然光充满内部。万神殿这个名字结合了希腊语中的＂所有＂和＂众神＂，暗示了一种宗教功能，但一些历史学家认为这座纪念碑主要是为了向罗马皇帝致敬而建造的。尽管经历了岁月的摧残，标志性的半球体仍然完好无损，仍然是世界上最大的无钢筋混凝土圆顶。
　　当谈到建造大型建筑时，罗马人清楚地知道他们在做什么。在建成近 2,000 年后，这两座巨大且技术上令人惊叹的建筑经受住了地震、洪水和军事冲突的考验，比孕育它们的帝国更长久，并成为罗马文化对全球持久影响的实体化身。
　　但是，古罗马是如何在很久以前完成如此具有纪念意义的、经久不衰的建筑的呢？
　　工程师和材料科学家今天仍在研究罗马结构，他们说秘诀在于巧妙的设计与混凝土的创新配方的结合，混凝土是一种极其耐用和适应性强的材料，至今仍在世界各地使用。虽然罗马人没有发明混凝土，但他们确实提高了用混凝土建造的标准。
　　浇筑混凝土使罗马建筑师能够获得他们能想象到的几乎任何形状，仅受限于他们建造塑造岩石泥浆所需的木制形式的能力。但作为罗马建筑标志的拱门、拱顶和圆顶不仅仅是花哨的设计。
　　万神殿拥有世界上最大的无钢筋混凝土圆顶，证明了罗马建筑技术的优越性
　　纽约罗彻斯特大学的机械工程师雷纳托·佩鲁奇奥 (Renato Perucchio) 说，罗马帝国建筑环境的最高表现以＂工程方法＂面对现代游客。＂罗马人进行了复杂的分析，导致他们做出这些设计，然后通过极其仔细的施工过程表达出来。＂
　　将这些设计结合在一起的混凝土也是独一无二的，并且经过深思熟虑。罗马混凝土使用的配方与现代混凝土不同，研究这种古老材料的研究人员表示，它的成分似乎赋予了这种材料非凡的抗降解能力。
　　今天，大多数混凝土由硅酸盐水泥（硅砂、石灰石、粘土、白垩和其他矿物质的混合物，在 2,000 摄氏度左右烘烤并粉碎成细粉）和称为骨料的岩石或沙子组成。将大小不一的岩石骨料（从沙子到砾石再到小块石头）与水泥混合，使所得混凝土更坚固并节省水泥。最后，向混凝土混合物中加水会引发水泥中的化学反应，将这些元素结合在一起。在大多数情况下，现代混凝土中的骨料都经过精心选择，以尽可能保持化学惰性。这个想法是在初始反应结束后避免任何不需要的化学反应，因为任何额外的反应通常都会破裂或以其他方式削弱混凝土。
　　另一方面，罗马混凝土是一种更简单的生石灰混合物，由烘烤和破碎石灰岩制成，最重要的是，罗马周边地区丰富的各种类型的火山岩骨料。与现代混凝土中使用的骨料相比，罗马人使用的这些火山材料具有很高的反应性，由此产生的混凝土在首次硬化后的几个世纪内仍保持化学活性。
　　＂如今的波特兰水泥并不意味着发生化学变化，如果它们真的发生变化，通常会产生不良影响，＂犹他大学的地质学家玛丽杰克逊说，她几十年来一直在研究罗马混凝土。＂罗马人希望他们的混凝土能够做出反应。他们选择了一种随着时间的推移会继续参与混凝土过程的骨料。＂
　　与现代混凝土相比，这种持续的反应性使罗马混凝土随着时间的推移变得更坚固。这些长期的化学反应可以加强骨料和粘结水泥之间经常形成的小裂缝，并防止它们进一步扩展。这种由活性火山矿物产生的再生能力使罗马混凝土的巨大承受能力成为可能。
　　万神殿内部充满自然光，这就是工程奇迹
　　尽管多年来研究人员一直怀疑是火山矿物的添加使罗马混凝土具有持久力，但直到 2014 年杰克逊和其他人才揭示了其中涉及的精确化学成分。在他们的研究中，他们测试了一种基于罗马图拉真市场建设中使用的混凝土混合物，并观察到了在火山大块之间所谓的＂界面区＂中生长的一种叫做菱铁矿的矿物板状晶体。岩石和水泥将混合物固定在一起。研究人员写道，这些晶体用于加固这些界面区，这些界面区通常是用波特兰水泥制成的混凝土中最薄弱的环节，使罗马混凝土更耐开裂。
　　最近，杰克逊和其他人于 2021 年秋季发表的一项新研究表明，结晶菱镁矿并不是古代混凝土持续反应的唯一副产品，这种反应使其保持坚固。该团队研究了公元前 30 年左右建造的罗马贵族 Caecilia Metella 的 21 米高圆柱形坟墓中的混凝土样本，该坟墓建于公元前 30 年左右，靠近一条被称为亚壁古道的古罗马道路。事实证明，这种混凝土是用火山岩制成的，火山岩含有大量称为白榴石的富含钾的矿物质。
　　在坟墓建造后的 2000 年里，雨水和地下水渗入坟墓的墙壁，溶解了白榴石，将钾释放到混凝土中。在现代混凝土中，被钾淹没会产生膨胀的凝胶并导致开裂和变质。
　　但杰克逊和她的同事发现，罗马混凝土中的活性火山矿物促进了不同的结果。溶解的钾最终重新配置了形成硬化混凝土骨架的化学＂胶水＂，尽管其所含的菱铁矿比团队在 Trajan＂s Market 混凝土中观察到的要少得多，但仍保持并增强了材料的强度。
　　至于为什么罗马混凝土的寿命在这两种情况下似乎有略微不同的解释，在美国麻省理工学院 (MIT) 完成博士学位期间从事这项研究的琳达西摩说，部分原因是＂这些结构经历了不同的环境，然后导致了不同的化学过程＂。西摩说，这种差异也可以通过＂罗马人使用的骨料的不同化学成分来解释——但共同点是这种持续的反应性导致了无害的随着时间的推移重新配置混凝土＂。
　　图拉真市场是一座由红砖和混凝土建成的考古综合体，经常被描述为＂世界上第一个购物中心＂
　　罗马混凝土的化学多样性可能意味着并非他们尝试过的所有东西都同样有效，但在罗马斗兽场和万神殿，我们有两个无可辩驳的材料证明材料的成功。
　　在斗兽场，混凝土不一定是表演的主角，但它在竞技场的生存中发挥了不可或缺的作用。斗兽场最突出的材料是石灰华石灰石，但混凝土是支撑圆形剧场众多标志性拱门的材料。然而，也许混凝土对罗马斗兽场的长寿最重要的贡献是看不见的。
　　杰克逊说：＂你不能把它看作是一个游客，但罗马斗兽场之所以能屹立不倒，是因为它的混凝土地基非常坚固。＂ 她补充说，那个混凝土地基充满了致密、沉重的熔岩骨料，足足有 12m 厚。如果没有这种坚固耐用的地基材料，罗马斗兽场可能会因该地区的地震而完全变成瓦砾。
　　不参观罗马斗兽场就不算完整的罗马之行，但对于任何寻求古代世界混凝土建筑顶峰的人来说，佩鲁奇奥说万神殿的未加固圆顶是必须的。
　　在万神殿的圆形大厅内，从地板到圆顶最顶部的距离几乎与圆顶的 43m 直径相同，邀请任何人在里面想象可以容纳在其内部的巨大、完美的球体。在尝试欣赏万神殿的圆顶时，＂未加固＂确实是关键词。
　　佩鲁奇奥说，如果建筑师今天试图建造万神殿，该计划将被拒绝，因为如果没有钢筋，例如现代混凝土结构中常用的钢筋，圆顶将违反现代土木工程规范
　　＂圆顶会产生非常高的拉伸应力，但它已经存在了 19 个世纪，＂佩鲁奇奥说。＂由此你可以得出两个结论之一：要么在罗马时代引力作用不同；要么我们已经失去了知识。＂
　　除了混凝土的独特化学作用外，万神殿背后的罗马建筑师还运用了无数技巧来实现他们的愿景。两个这样的技巧旨在使圆顶的墙壁尽可能轻。
　　在施工过程中，构成建筑物半球形天花板的混凝土必须从下往上倒入形成连续同心环的木框架中。但为了减轻佩鲁奇奥提到的巨大拉应力，建造者使用逐渐变轻的火山岩作为骨料，因为它们越来越接近圆顶的顶点，同时使墙壁本身更薄。
　　在穹顶的最低、最宽的部分，混凝土包含大块重玄武岩以增强强度，约 6m 厚。相比之下，眼睛周围的最后一层使用轻质浮石作为骨料，厚度约为 2m。
　　整个圆顶内部都可以看到第二个技巧。天花板的弯曲内部覆盖着被称为保险箱的镂空矩形。这些几何保险箱令人着迷，但它们不仅仅是为了美观。他们还减少了建造圆顶所需的混凝土量并使其更轻，从而减少了对材料的压力。
　　＂万神殿是一个神奇的地方，＂佩鲁奇奥说。＂我去过那里无数次，但每次我都对所涉及的建筑和工程充满了极大的钦佩。我认为它是有史以来建造的最美丽的建筑之一。＂
　　在万神殿，混凝土可能已经达到了最崇高的形式——一本关于结构的书宣称它是＂混凝土的胜利＂——但麻省理工学院的材料科学家、2021 年研究的合著者 Admir Masic 说，在现代尽管世界混凝土可以做所有有用甚至美丽的事情，但它＂有点邪恶＂。这是因为生产用于当今混凝土的波特兰水泥至少占全球碳排放量的 8%。
　　斗兽场深厚的混凝土基础使其免受该地区地震的影响
　　Masic 和 Jackson 正在研究罗马混凝土，着眼于使当今的混凝土更加环保。马西奇说，罗马混凝土的最大优势在于其石灰基粘合剂只需加热到 900 摄氏度左右，而硅酸盐水泥则需要在接近 1,450 摄氏度的温度下烧制。
　　仅此一项就意味着罗马混凝土有可能大幅减少混凝土生产的碳足迹。但马西奇表示，这种材料的使用寿命还可以让我们减少更换基础设施的频率。
　　＂想象一下，我们开始建造持续 500 年而不是 100 年的基础设施，并且我们将罗马混凝土的自愈特性添加到我们所做的每个项目中，＂Masic 说。＂因此，我们的混凝土销量可能会减少，但这正是我们当前基础设施模式中的问题。制造更持久的东西可能是提高可持续性的最简单方法。＂
　　杰克逊和她的合作者正在美国能源部的 ARPA-e 项目中开发一种类似罗马的混凝土，其目标是潜在地将与混凝土生产和安装相关的排放量减少 85%，并将其使用寿命延长四倍。
　　更广泛采用罗马配方的最大障碍之一是它的固化时间长——与标准混凝土的 28 天相比，它可能需要长达六个月的时间才能达到最大强度——以及较低的强度（Perucchio 说它比现代混凝土弱约 10 倍）具体），这意味着它可能会在一些重量级的现代应用程序中失败。
　　但马西奇说，有一些方法可以加快罗马混凝土固化过程中涉及的化学反应。他正在研究一种技术，该技术涉及向罗马混凝土注入二氧化碳，这可能会使混合物在几天内固化。＂我们不需要完全照搬罗马人所做的，＂他说，＂但是当谈到让混凝土更耐用和更可持续时，他们显然有一些东西可以教给我们。＂