古罗马混凝土秘密复活拯救中国摇摇欲坠的石窟

大足石刻中北山佛湾石窟的渗水区。图片来源：马教授团队

（蜘蛛网eeook.com）据今日科学新闻：中国古老的石窟寺庙被雕刻在山腰上，隐藏在山谷中，经过数百年的风雨擦过，它们不仅仅是遗迹，它们是历史的声音，低声诉说着人类的虔诚、艺术和想象力的故事。敦煌莫高窟的天体壁画和重庆的大足石刻，都是世界上最珍贵的文化瑰宝之一。每一个凿痕，每一个颜料笔触，都讲述着一个信仰与工艺交织在一起，创造出永恒美丽的圣地的时代。

然而，这些由石头诞生的纪念碑也不能幸免于时间的流逝。水从裂缝中渗出。盐结晶。微生物在不该生长的地方生长。慢慢地，历经朝代、战争和元素而幸存下来的杰作开始褪色。现代文物修复工作者面临的问题不再只是如何保存艺术品，而是如何保护岩石本身。

现在，在古代知识与现代技术的非凡融合中，由马晓教授领导的中国科学技术大学（USTC）科学家团队在过去找到了灵感——从建造罗马帝国的混凝土中。他们的突破可能会重新定义人类如何保护其最脆弱的石头遗产。

罗马混凝土长期以来一直让现代工程师感到困惑和着迷。万神殿和罗马斗兽场等建筑在近两千年后仍然屹立不倒，而许多现代建筑在几十年内就倒塌了。秘密不仅在于它们的材料，还在于它们的化学成分——火山灰和石灰的自修复混合物，会随着时间的推移和水分而增强。

马教授和他的团队从中汲取了这种智慧，不是为了重建城市，而是为了保护一些更古老、更脆弱的东西：中国的石窟。这些直接雕刻在岩壁上的寺庙遭受了环境力量的无情破坏。在中国南方，挑战更大。该地区潮湿的亚热带气候加速了侵蚀。水通过细丝裂缝渗入，削弱石头，溶解矿物质，并留下盐晶体，进一步膨胀和破坏墙壁。

传统的修复材料——如有机树脂和普通水泥——往往弊大于利。树脂会将水分困在内部，而水泥虽然坚固，但可能过于坚硬且与古代砂岩在化学上不相容。随着时间的推移，这些解决方案会导致更多的开裂和变色，从而破坏它们本应确保的保护。

中国科学技术大学研究人员面临的挑战是开发一种可以密封裂缝、让蒸汽呼吸并与古石和谐融合的材料——足够坚固以抵抗侵蚀，但又足够温和，不会干扰原始结构。

他们的答案在于钙-硅酸盐-水合物，或 C-S-H——赋予现代混凝土强度的核心化合物。然而，马教授的团队并没有复制工业版本，而是从分子层面重新构想了它。通过实验室实验和分子动力学模拟的结合，他们探索了C-S-H如何与大足岩刻北山砂岩中常见的矿物相互作用，特别是石英、钠长石和方解石。

他们的分析表明，粘附的秘诀在于氢键以及机械联锁和化学键之间的协同关系。简单来说，他们发现，在新材料和古老岩石之间的微观界面上，会发生看不见的分子“握手”——这种键允许材料在不强迫或破裂的情况下融合。这种强度和兼容性的平衡正是传统材料未能实现的。

基于这一见解，该团队在室温下合成了一种新的 C-S-H 凝胶。这不仅仅是混合成分的问题，而是仔细调整多个参数的问题：钙与硅的比例、水与粘合剂的比例、粘合剂和骨料之间的平衡，甚至是聚羧酸减水剂的剂量——一种提高流动性和均匀性的化合物。

合成的 C–S–H 的透射电子显微镜图像和元素映射。图片来源：马教授团队，来自 Advanced Science （2025）。DOI：10.1002/advs.202503333

通过精心的优化，他们创造了一种低成本、耐用且环保的灌浆材料，具有卓越的粘合能力和透气性。与传统水泥不同，它与砂岩自然融合，提供稳定性而不会使岩石窒息。

实验室测试证实，这种新型配方在抗水渗透和在波动的温度和湿度下保持机械完整性方面优于现有材料。它不仅可以密封裂缝，还可以加固石材本身，防止将来变质。

这项工作的影响远远超出了单个站点。对于大足石刻来说——其复杂的佛教、儒家和道教图像浮雕——这一创新可能意味着几个世纪的额外生命。每一条被这种新材料填充的裂缝不仅仅是一次修复，更是一次更新——古代艺术与现代科学之间的桥梁。

在莫高窟，精致的壁画曾经在盐层风化和水渍下几乎消失，有朝一日类似的技术可以应用于稳定墙壁并恢复丢失的细节。同样的原则可能会保护印度的砂岩寺庙、埃塞俄比亚的岩石凿成的教堂，甚至地中海对岸的考古遗址。

通过结合计算建模、材料合成和遗产科学，马教授的团队已经建立的不仅仅是一个产品，他们还构建了一个框架。他们的综合研究模式将化学、物理、工程和文化保护结合在一个目标下：以尊重其物理完整性和精神本质的方式保护世界上不可替代的石碑。

这项研究的美妙之处不仅在于其技术成就，更在于其哲学深度。古代石窟被雕刻为虔诚的行为，旨在超越时间。今天，科学家们通过另一种形式——保护——继续这种奉献精神。他们的作品呼应了原始工匠曾经感受到的对自然、工艺和连续性的尊重。

在一个进步往往意味着以新代新的世界里，遗产科学领域提醒我们，真正的创新有时意味着保护已经存在的东西。现代材料科学在文化同理心的指导下，成为一种管理行为——确保写在石头上的故事在尚未出生的几代人中仍然清晰可读。

随着新型C-S-H基灌浆材料的现场应用和进一步完善，其潜力不断展现。研究人员设想在更广泛的保护工作中使用类似的硅酸钙系统，从修复古庙到稳定悬崖边雕刻和脆弱的考古层。这种方法甚至可能影响现代建筑，提供受罗马工程和天然矿物化学启发的可持续替代方案。

这项发表在《先进科学》上的工作不仅仅是一篇科学论文，它还是文明之间的桥梁。它展示了古代的教训如何激发保护人类集体记忆的创新。

从罗马的火山灰到中国的砂岩悬崖，一个真理经久不衰：我们的祖先明白，要建造永恒的东西，就必须与自然合作，而不是与自然作对。马晓教授和他的团队复兴了这种古老的智慧，使用最现代的分子科学工具，为历史的核心注入了力量和韧性。

更多信息：Mengjun Jia 等人，从古代技术到现代解决方案：用于砂岩保护的 C-S-H 原位合成，Advanced Science （2025）。DOI：10.1002/advs.202503333