混凝土是世界上用量巨大的土木工程材料，其耐久性研究备受关注。北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室利用距今约2000年的古罗马混凝土，破解了这种材料的长寿密码。科研人员发现，在漫长的时间流逝中，这些混凝土内部并非只发生了老化和劣化，还有持续的矿化反应——有助于填充孔隙和微裂隙，使材料局部更加致密。相关成果近日在《科学》子刊上发表。
该研究由北工大桥梁工程安全与韧性全国重点实验室研究员朱效宏牵头，联合加州大学伯克利分校等科研机构完成。“过去研究建筑材料的耐久性，更多关注材料如何随时间老化和劣化。但我们的研究发现，古罗马混凝土在近2000年的长期使用中，发生了‘正向演化’。”朱效宏说，这是因为材料中富含钙的组分，与环境中的二氧化碳和水发生缓慢反应，持续形成了稳定的碳酸盐矿物。“这些在孔隙、微裂隙中逐渐形成的矿物，就像遍布材料内部的天然补丁，有助于填充孔隙、增强连接。这是帮助古罗马混凝土保持千年耐久的重要机制之一。”
这项研究更重要的价值，是为现代工程材料设计提供一种新的思路。“未来或许可以通过设计材料的组成和微观结构，在可控条件下利用环境作用，让材料产生有益的矿化反应，从而获得自修复能力，变得更长寿。”朱效宏说，依托实验室，团队正在开展低碳水泥基材料设计、细微观结构与随机断裂，桥梁长期使用安全与韧性提升等研究。
在朱效宏看来，自己的研究，与北京城市更新和建筑可持续发展的方向有着许多共通之处。“城市建筑发展不应只追求建得更快、更高、更强，也要思考如何让建筑和基础设施在漫长的时间里，保持安全、适应环境、延长寿命，让建筑在几十年甚至千百年以后，依然安全、低碳，有韧性。”
论文原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb0754
从材料细微观机制出发
服务桥梁韧性与长期安全
水泥基材料是桥梁等重大基础设施最主要的工程材料之一。材料内部的微结构演化、损伤萌生与裂纹扩展，是影响桥梁耐久性、可靠性和长期韧性的重要基础。面向桥梁工程安全与韧性需求，实验室持续开展低碳水泥混凝土、细微观结构与力学、跨尺度随机断裂及长期耐久机制研究，逐步形成了从“材料组成与微结构损伤裂化”到“耐久与韧性、结构长期安全”的跨尺度研究链条。
围绕基础设施低碳化与高性能协同，实验室开展水泥基材料低碳化与耐久性研究，从水化产物、孔隙结构和界面特征等细微观尺度认识材料组成与宏观性能之间的内在联系；进一步结合细微观力学、随机断裂和跨尺度模拟，揭示水泥基材料强度形成、微裂纹萌生扩展及能量耗散机制，为高韧性、长寿命水泥基材料设计提供理论基础。
从古代混凝土的千年耐久
到现代材料的韧性调控
从古代混凝土的千年耐久，到现代水泥基材料的低碳设计、细微观力学、随机断裂与韧性调控，桥梁全重实验室相关研究逐步形成贯通“低碳-耐久-韧性”的材料研究主线：以低碳材料支撑基础设施可持续发展，以细微观断裂认识材料韧性的起源，以千年耐久探索长寿命的科学机制，最终服务于桥梁及重大基础设施的低碳、长寿命与高韧性。
历史混凝土经历了数百乃至数千年的真实环境作用，为认识水泥基材料超长期性能演化提供了独特的“天然实验室”。
此次发表于《Science Advances》的研究以意大利哈德良离宫（Hadrian's Villa，联合国文化遗产）近两千年前的古罗马混凝土为研究对象。研究团队综合先进材料表征和多尺度分析发现，大气二氧化碳在长期服役过程中参与材料内部矿化反应，形成稳定的碳酸盐矿物；这些矿物在孔隙、界面及微裂纹区域的长期形成与演化，对材料致密化和长期耐久性能保持具有重要贡献。
研究进一步表明，长期环境作用并不一定意味着材料性能的单向劣化。在特定材料体系中，环境介质与材料内部组分的持续反应可能产生有益的矿物演化，为材料长期稳定提供新的机制。
这一发现进一步丰富了对古罗马混凝土千年耐久机制的认识，也为现代工程材料设计提供了新的启示：通过合理调控材料组成和细微观结构，有望利用有益的长期矿化过程，为发展兼具低碳、高耐久与高韧性的下一代水泥基材料提供新的科学思路。
这一研究思路将材料尺度的基础科学问题与桥梁结构长期服役安全相衔接，为桥梁材料性能退化机理识别、高韧性材料设计及基础设施全寿命性能提升提供材料科学支撑。
