罗马混凝土：建筑与火山的交响曲

古罗马遗址，即使在废墟中，其辉煌壮丽依然令人印象深刻。斗兽场、万神庙、拱券、大跨度的高架渠、浴场等，不仅显示出古罗马建筑与施工的高超技艺与能力，而且是古罗马帝国曾经兴盛的印记。在古罗马由兴到衰的整个过程中，在建筑方面始终不断创新，古罗马建筑风格及其对独特建筑材料的使用举世闻名，影响深远。

古罗马帝国最具代表性的建筑材料可以归纳为：自然材料（原石、大理石、木材等）、人造材料（砖、玻璃等）以及混合材料（各种混凝土）。值得一提的是古罗马人更善于使用可批量生产的建筑材料，如砖和混凝土等。其中，罗马混凝土占有着至关重要的地位，是批量化生产建筑材料的代表，为古罗马建筑的发展带来了空间上的飞跃与革新。

罗马混凝土物质组成

混凝土，是由砂浆与骨料混合而成的一种具有高度可塑性的建筑材料。“罗马混凝土”则特指古罗马时期的混凝土。

罗马混凝土也主要由骨料和砂浆两部分组成。骨料的组成物质包括：火山岩（酸性浮岩、气孔状玄武质火山渣、凝灰岩、熔岩等）、沉积岩（石灰华、砂岩等）和变质岩（石英岩、板岩等）的岩块、石英等矿物碎块及碎砖块。骨料一般粒径10厘米〜30厘米。火山灰是火山爆炸喷发形成的细碎屑物（小于2毫米），由岩浆或熔岩破碎而成的火山玻璃碎屑、晶体碎屑和源自地下火山结构破碎的岩屑构成。凝灰岩是火山灰通过天然矿物胶结物的胶结、固化而成的岩石。这些骨料在应用过程中通常手工码放在砂浆之中，因此罗马混凝土更类似于一种浆砌碎石。而现代混凝土则是由砂浆与小粒径骨料（豌豆到坚果般大小不等）混合而成的，其骨料比罗马混凝土的骨料小得多。从现代观点来看，罗马混凝土的砂浆本身也可被视为一种混凝土，它是将熟石灰灰浆与砾级到砂级的火山灰骨料混合后发生化学反应形成的。

小贴士

火山灰是火山爆炸喷发形成的细碎屑物（小于2毫米），由岩浆或熔岩破碎而成的火山玻璃碎屑、晶体碎屑和源自地下火山机构破碎的岩屑构成。

凝灰岩是火山灰通过天然矿物胶结物的胶结、固化而成的岩石。

罗马混凝土具有便捷、高效、廉价、坚固、耐用、可塑的特点，其原料来自于容易开采的各种天然岩石与矿物材料和煅烧后形成的石灰。这些固体物质的混合物与水掺混反应后，就会形成具有高性能的水硬性灰浆和非均匀的复合连续体。由于当时混凝土的塑形主要是使用木质模板来进行，因此只要木质模板可以制作成什么形状，混凝土就能被制塑造成什么形状。虽然罗马混凝土的强度较现代混凝土的强度稍弱，但其耐久性远远超越现代混凝土，与海水接触的海用混凝土尤其如此，历经2000多年仍然保持相对完好的古罗马建筑结构可以证明这一点。此外，罗马混凝土较高的可塑性，为古罗马工匠建造多种多样的建筑结构提供了必要条件。

罗马混凝土的制作工艺

维特鲁威创作于公元前32年至公元前22年的《建筑十书》中，曾经阐述过制作性能优良混凝土的方法。在制作过程中，至关重要的成分是一种“合适的砂”（其实就是粗火山灰），尤其推荐使用黑色、白色、亮红色和暗红色的“砂”以及新挖掘出来的“砂”，并且要求这些“砂”里不能混杂一丝一毫的泥土。如果把这种“砂”在双手之间揉搓，会发出沙沙的响声；把它扔到白布上，如果没有留存黏附物，那么就可以认定没有泥土混杂在砂中。当时人们还没有认识到这种特殊的混凝土物质是来自于火山喷发，但是这件事却被记录在现存影响深远的西方最早的经典建筑著作中。书中记载显示，古罗马人已经意识到火山灰是相当优质的混凝土原料，同时他们已经通过不断实践获知了如何制造出即使在海水里也依然坚固的混凝土。

灰浆生产过程中的化学反应（改自L.C.Lancaster，2005）

罗马混凝土制作工艺中，石灰砂浆是最初始的部分，其制作流程为：先煅烧石灰岩得到生石灰（主要成分为氧化钙），然后将烧制得到的生石灰与水混合搅拌产生熟石灰（氢氧化钙），再后将氢氧化钙与“砂”（粗火山灰）混合，最终碳酸钙物质在缓慢的蒸发过程中发生结晶产生碳酸钙晶体。这些碳酸钙晶体倾向于黏附在粗糙物料的表面，故“砂”的作用是加强颗粒之间的黏结强度，从而增强混凝土的整体强度。

罗马工匠们更喜欢高纯度的石灰，其原料源于罗马东北部亚平宁山脉的厚层石灰岩。在那里，采石场可以提供氧化钙含量较高的纯净石灰石。纯净石灰石在窑内的温度和持续时间上相对一致，有利于煅烧出纯净的生石灰，加水后它就可以形成高质量的熟石灰。在罗马混凝土制作的整个过程中，并非只有蒸发这一种单一的物理过程，而是包含着质地均匀的熟石灰灰浆与砂浆中的天然火山灰之间发生的化学反应。事实上，在古罗马的图拉真市场大会堂的砂浆黏合基质中，现代科学家们已经识别出了碱-氧化铝水泥凝胶以及钙-氧化铝结晶水泥。经过这些化学反应而产生的混凝土会克服混凝土内外强度不均的缺点，而且固结过程既可以发生在陆地上，也可以直接发生在水中。在海水中固结的砂浆甚至比在陆地上固结的强度更强，这可能是由于海水与各种材料之间的进一步反应及火山灰的多孔结构造成的。古罗马时期的桥梁、输水设施、甚至沿海港口的建设都使用了这种混凝土。这些地上和水下的建造物很好地保存至今。

罗马混凝土的结构特点

从外观上来看，罗马混凝土与火山碎屑岩的结构很相似，具有非均匀的不等粒结构。其中，粗骨料部分类似于火山岩块，砂浆部分与火山凝灰角砾岩相似。罗马混凝土比较独特的地方是，除了含有火山凝灰角砾岩或凝灰岩常具有的碎屑物质外，砂浆部分还含有大量的人工石灰碎屑颗粒和胶结物，而且火山碎屑、石灰碎屑与细粒基质之间的化学反应还形成了新的起胶结作用的水凝胶和低温结晶矿物，不规则状的水凝胶与针状、片状、葡萄状的新生矿物相互粘结、嵌入和交织，形成了一种密实的胶结结构。

不同类型的骨料具有不同的密度，从浮岩、火山渣、凝灰岩到熔岩，其密度逐渐增大。古罗马人通过将多种不同密度的骨料按比例进行混合，来获得不同密度的混凝土。在大型建筑中，按照不同骨料密度自大到小，古罗马人把大密度的骨料用于建筑基础的厚构件，而将小密度的骨料用于建筑上部或拱顶，从而减轻结构负担，增加基础稳定性，例如万神庙自下至上就使用了密度逐层递减的骨料，同时在穹顶上增加了大量壁龛，从而减轻穹顶重量，维持整体结构的稳定。

罗马混凝土的历史作用和现代启示

罗马混凝土的出现，相对先前时代来说是革命性的，不仅促进了罗马建筑形式和风格的发展与创新，对其性能的开发和利用也是古罗马对欧洲建筑的最伟大的贡献。罗马混凝土的使用让罗马人有机会制造出前所未有的结构形式和空间体验，如万神庙的穹顶至今仍然是世界上最大的无支撑混凝土穹顶，罗马斗兽场其建筑规模、技艺水准和艺术风格都堪称奇迹，影响深远。而火山灰水泥制成的罗马海用混凝土，其水下固化能力为古罗马人建造此前未曾实现的水上建筑成为了可能。可以说，罗马混凝土在罗马建筑形式的创新发展中起着举足轻重的作用。此外，罗马混凝土为大量、快速、廉价地建设道路、神庙、要塞、港口等提供了可能，从而为古罗马在军事、政治、经济和贸易发展方面提供了优势。

罗马混凝土惊人的耐久性与自愈性为设计和制造现代建筑混凝土提供了重要启示。目前，国外一些企业已着手开展了这方面的研究。罗马混凝土对天然火山原料应用的思想已开始被现代建筑师所借鉴。它的优点是能够延长混凝土的使用寿命，从而可以减少严重影响环境的普通硅酸盐水泥（生产每吨这种水泥排放1吨二氧化碳）的使用量（占全球温室气体排放总量的8%），进而减少碳排放量以及粉尘、二氧化硫、氯氧化物等污染物的排放量，节约资源和能源，促进绿色发展。

罗马混凝土和古罗马建筑一样是人类珍贵的历史文化遗产，通过对其研究和利用，不仅让我们现代人依稀瞥见2000年前这个强大帝国的一缕剪影，更为现代建筑学的进步提供了珍贵的饱含科技密码的材料。

来源：地球杂志

编辑：蓝多多

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