在罗马以东27公里处，坐落着一个拥有近2000年历史的公共厕所遗迹，其混凝土结构历经风雨侵蚀，至今依然坚固。它不仅超越了建造它的帝国，抵御了几个世纪的自然侵蚀，甚至比意大利国家足球队晋级世界杯的次数还要多，这对于一个公共浴室而言，无疑是一项令人印象深刻的成就。

如今，这个位于哈德良皇帝公元二世纪蒂沃利别墅中的简陋厕所，正帮助科学家们逐步解开工程领域最受关注的谜团之一：为何部分古罗马混凝土能够历经千年而不朽？本周发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项研究，首次清晰地揭示了这种材料在浇筑后如何持续发生变化并不断增强。

长期以来，研究人员一直将古罗马混凝土的卓越耐久性归因于其巧妙的古代化学配方。建造者将石灰与火山灰混合，引发矿物反应，这些反应在混凝土老化过程中持续进行。德克萨斯大学奥斯汀分校研究水泥和混凝土材料的玛丽亚·容格（Maria Juenger）形象地解释道：“你可以将其理解为罗马人利用火山来改善他们的混凝土，而我们现在则使用高温水泥窑。”

2023年，麻省理工学院及其他机构的研究人员提出，散布在古罗马混凝土中那些明亮的白色块状物——被称为石灰碎屑（lime clasts），曾长期被误认为是混合不完全的证据——可能有助于解释这种材料的自修复特性。当裂缝形成时，水会溶解碎屑中富含钙的物质，这些物质随后会重新结晶为碳酸钙，从而封闭裂缝。

研究古代混凝土中的这种化学过程，需要一个在漫长岁月中未曾被修补或修复过的样本，这在经过世代文物保护者维护的遗址中是极其罕见的资源。

而研究团队恰好拥有一个独特的优势。

“没有人会修复一个厕所，”加州大学伯克利分校的土木工程师、这项新研究的资深作者保罗·J·M·蒙泰罗（Paulo J. M. Monteiro）表示，“因此，这些材料在十九个世纪里一直未受干扰，默默地进行着一项活着的任何人都无法启动的实验。”

蒙泰罗及其同事，在北京工业大学的朱晓红（Xiaohong Zhu）教授的带领下，利用高分辨率X射线成像、电子显微镜和化学分析，对古罗马混凝土内部的碳酸盐矿物进行了纳米尺度级别的精确绘图。这一过程被称为碳化（carbonation），即空气中的二氧化碳渗入混凝土，与富钙化合物反应，留下坚硬的结晶矿物——方解石（calcite）。研究团队的扫描结果显示，方解石交织在材料中，填充了孔隙，并将各个组分紧密结合在一起。

蒙泰罗指出：“此前，方解石已被怀疑是内陆古罗马混凝土中重要的结合相。而现在的新发现是，我们能够清晰地看到它是如何结合的。”

这项研究实际上提升了碳酸盐在混凝土中的地位。

麻省理工学院材料科学家阿德米尔·马西奇（Admir Masic）——其团队曾领导石灰碎屑的研究——表示：“这进一步强化了碳酸盐在这些体系中更具动态性并发挥基础性而非边缘性作用的观点。”

然而，这些见解能否直接改善现代混凝土，则不那么简单。

容格指出：“最大的障碍是钢材。”与古罗马混凝土不同，大多数现代混凝土都用钢筋加固。新鲜混凝土足够碱性，可以保护钢筋免受锈蚀，但碳化会逐渐降低其pH值并削弱这种保护。蒙泰罗说：“同样是碳化反应，它悄然强化了古罗马混凝土，却对我们的现代混凝土构成缓慢的威胁。”

与此同时，工程师们对控制碳化（controlled carbonation）越来越感兴趣，这种技术可以将二氧化碳锁定在矿物形式中——这对于一个关键成分水泥占全球碳排放量约8%的行业来说，意义非凡。论文作者警告称，不应期望从一个在哈德良别墅耗费了几个世纪的反应中获得快速的气候效益。蒙泰罗表示：“因此，现代工程师面临着在耐久性和可持续性之间取得微妙平衡的挑战。我们希望我们的技术能帮助优化这种平衡。”

在蒂沃利，那个古老的厕所的长期实验仍在继续。