古埃及人如何建造吉萨大金字塔——这座由230万块重达数吨的石块组成的建筑——这一长期未解之谜已困扰研究人员数百年。
主流考古学认为，金字塔是由天然石灰岩或花岗岩块精确切割并拖运到位后建造而成的。
另一种科学理论提出，这些石块可能是用早期形式的混凝土浇筑而成的，但这一观点长期以来面临一个关键质疑：这种人造材料如何能存续超过4500年，而一些现代建筑仅几十年就可能出现磨损和损坏？
如今，一项针对近2000年历史的罗马混凝土的新研究，可能为混凝土假说提供了材料科学方面的线索，使其重获新生。
该研究于7月发表在同行评审学术期刊《科学进展》上，揭示古罗马混凝土不仅抗衰变，而且通过自我修复过程在数百年间实际上变得更强。
由北京工业大学的朱晓红领导的研究团队，与加州大学伯克利分校、密歇根大学、劳伦斯伯克利国家实验室以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的合作者共同分析了取自意大利蒂沃利哈德良别墅一处公共厕所的混凝土样本。
通过高分辨率成像，他们发现该材料非凡的耐久性源于方解石晶体的逐渐形成，这些晶体填充了孔隙和微裂缝。
这一修复过程部分由碳化作用驱动，即混凝土中富含钙的化合物与水分和大气中的二氧化碳反应生成碳酸钙。
在现代钢筋混凝土中，碳化通常被视为耐久性问题，因为它会降低材料的pH值，可能导致内部钢筋腐蚀。
但研究人员发现，同样的化学过程在古罗马无筋混凝土中却有助于矿物生长和致密化。朱晓红说：“对于无筋混凝土来说，碳化可能是件好事。”
这一见解的影响可能远远超出罗马。朱晓红推测性地将其与吉萨金字塔联系起来，指出古埃及和罗马之间的技术渊源比人们通常认为的更为深厚，包括使用石灰或火山灰基胶凝材料。
如果埃及建造者使用了富含钙的类混凝土混合物，那么罗马混凝土中那种长期矿物生长可能将最初可加工的材料转变为我们今天所见的致密、坚硬的石块。
朱晓红说：“金字塔的建造者可能并非有意浇筑我们今天所见的坚硬石块，而是通过经验发现了一种能随时间‘生长’的混合物。”
他指出，一些富含钙的建筑材料可能在建造后通过碳化、矿物沉积和孔隙填充持续演化，在漫长时期内形成越来越致密的结构。
在这一假说下，致密的方解石晶体可能在较老的矿物相周围以及孔隙和裂缝内部形成，从而增强材料，同时减少水分渗透的通道。
这种矿物生长可能持续数百年，使材料的部分区域逐渐变得更加致密，从而减缓进一步劣化。
他将这一机制与自然界中方解石的形成进行了比较：溶解在水中的钙可以穿过孔隙和裂缝，然后再次沉淀为晶体物质。朱晓红说：“换句话说，时间不仅是侵蚀者，也可以是雕刻家。”
但朱晓红强调，他并未直接研究吉萨金字塔，他的提议也并未证实金字塔石块是由混凝土或人造石制成的。他说：“这只是从材料科学角度提出的一个合理假说。”
朱晓红的判断源于他在水泥领域的研究，以及与利兹大学领域权威伊恩·理查森的合作。
他说：“事实上，所有普通波特兰水泥，以及富含钙源的天然石灰黏土或火山灰，都会发生碳化。”波特兰水泥是世界上使用最普遍的水泥类型。
朱晓红说：“它只存在了200年，但在地球上几乎随处可见。它是人类使用量仅次于水的材料。”
“我和理查森教授还研究了1824年的专利水泥，现代波特兰水泥就是在英国利兹获得专利的。我们分析了其生产工艺和成分，相关研究已被理查森教授纳入水泥化学教科书。”古罗马样本中含有火山岩碎片、石灰和火山灰等罗马混凝土常用材料，但研究人员发现，材料内部的矿物生长对其长期完整性的维持起到了重要作用。
特别是，致密的方解石层在较老的矿物相周围以及孔隙和裂缝内部形成，增强了材料，同时减少了水分渗透的通道。
这种矿化作用并非仅在建造期间发生，而是可以持续很长时间，填充空隙和细小裂缝，使混凝土的部分区域逐渐变得更加致密。
研究作者写道：“随着时间的推移，方解石的持续生长产生自我修复效果，封闭裂缝，并减轻环境应力或机械荷载造成的进一步损伤。”朱晓红表示，这一过程发生在多种富含钙的胶凝材料中。
但碳化是否有益在很大程度上取决于混凝土的使用方式。在古罗马无筋混凝土中，碳化反而有助于致密化和长期耐久性。
罗马混凝土的例子最终可能为现代混凝土的设计提供借鉴，将关注点从初始强度转向长期性能。
对于未来的水泥设计，朱晓红说：“在千年时间尺度上进行实验是不可能的，但通过结合加速试验、数值模拟和地质类比的三维验证系统，我们可以做出可信的预测。”
这种方法可以让研究人员设计受控的矿化过程，使混凝土通过逐渐填充孔隙和微裂缝来响应环境，而不是简单地劣化。
朱晓红说：“对于普通建筑而言，‘足够且持续足够’的生态设计远比追求极高强度却缺乏耐久性的工程更有价值。”
他表示，他正在继续研究历史建筑材料，包括来自伊斯坦布尔圣索菲亚大教堂的样本。
朱晓红说：“水泥和混凝土一直是非常卓越和伟大的材料，但人们可能因为它们太常见而忽视它们。虽然这算不上热门研究课题，但我觉得我们的研究很有意义。”