古罗马的建筑奇迹于公元128年在罗马落成的万神殿（Pantheon），是罗马的一座著名建筑奇迹。它拥有世界上最大的无钢筋混凝土圆顶，至今仍完好无损。罗马万神殿，有着世界上最大的无钢筋混凝土圆顶。在整个古罗马帝国，无论是像墙壁、地基等建筑元素，还是像渡槽、港口、道路、桥梁等基础设施，都是用无钢筋混凝土建造的。这些古老的混凝土结构，历经了上千年的风霜洗礼，仍然屹立不倒。这些古老遗迹的耐久性令人惊叹。
然而，相比之下，许多现代混凝土结构可能才经过几十年就已经伤痕累累。这也使得长时间以来，研究人员一直希望能了解古罗马的建筑材料为何这般耐用。现在，一个国际研究团队通过分析古罗马建筑的混凝土样本，揭示了这种超级耐久性的机制。他们发现，这些混凝土具有神奇的自愈功能。研究结果发表在了近期的《科学进展》杂志上。
混凝土是世界上最普遍的建筑材料，普通硅酸盐水泥（OPC）是混凝土的关键组成部分。
但OPC也带来了严重的环境问题：每生产1吨OPC，就会释放出高达1吨的二氧化碳。因此，很多研究人员希望能够找到提高混凝土的使用寿命的方法，以此来减少对环境的损害。有着优异耐久性的古代混凝土，一直是科学家的一个研究目标。这次，研究团队将目光锁定在这些古老混凝土材料中的一些微小而显眼的毫米级亮白色矿物上。这些白色的块状物通常被称为“灰岩屑”，它们源自古罗马混凝土中的另一种关键材料——石灰。
研究人员从罗马附近的普里维努姆城的一处墙壁上，提取了一份罗马混凝土样本。利用Masic实验室发展的新的高分辨率多尺度成像和化学制图技术，他们对古老混凝土样本中的灰岩屑进行了进一步的详细观察。分析结果表明，这些白色的灰岩屑含有各种不同形式的碳酸钙，其中有些通常是需要在无水条件下才能产生的。此外，他们还发现这些灰岩屑具有多孔性，且有裂缝，这意味着它们是在高温、缺水的环境下形成的。
这样的结果为砂浆的制备方法提供了新的见解。它意味着古罗马人在混合物中使用的是生石灰，或者将生石灰与熟石灰一起。这些生石灰在被添加到其他成分中之前，并没有先于水混合，而是很可能先被添加到火山灰和粗骨料中。由于这个过程会产生热量，导致放热反应，从而创造了一个可以让有着高表面积的灰岩屑停留在砂浆中的环境。这种被称为热混合的方法，是这些古罗马混凝土超级耐用的关键。
在热混合过程中，灰岩屑会形成一种脆性纳米颗粒结构，这是一种容易断裂的活性钙源。研究人员认为，正是这些结构，可以赋予混凝土一种强大的自愈功能。具体来说，一旦混凝土内部开始出现微小的裂缝，这些裂缝会优先穿过有着高表面积的灰岩屑。接着，灰岩屑可以与水反应，产生饱和的钙溶液，钙溶液可以再结晶为碳酸钙，并迅速填充进裂缝中，又或者与火山灰材料反应，进一步增加复合材料的强度。
这些反应都是自发发生的，因此会在裂缝扩散之前自动愈合。为了证明这确实是导致罗马混凝土耐久性的机制，研究团队制作了混合了古代和现代配方的热拌混凝土样品，故意使其开裂，然后让水从裂缝中流过。果然，不到两周时间，裂缝就完全愈合了，再也没有水流动了。而一块一样的没有生石灰的混凝土则永远不会愈合，水会一直在样品中流动。
现在，研究团队正在努力将这样的水泥材料商业化。这些更耐用的混凝土配方不仅可以延长用这些材料建造的建筑和设施的寿命，而且还可以提高3D打印混凝土配方的耐久性。此外，通过延长功能寿命和开发更轻重量的混凝土，研究人员希望可以帮助减少水泥生产对环境的影响。