云岡石窟、龍門石窟、大足石刻……這些中華文明的璀璨瑰寶，正遭受巖體裂隙滲水的“慢性侵蝕”，亟需使用保護材料實現(xiàn)裂隙封堵。

中國科學技術(shù)大學聯(lián)合多家機構(gòu)，從古羅馬建筑的奧秘中汲取靈感，研發(fā)出新型保護材料，為千年石刻瑰寶保駕護航。

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古羅馬混凝土技術(shù)

“華麗轉(zhuǎn)身”

古羅馬的萬神殿和斗獸場歷經(jīng)兩千年風雨巍然屹立，得益于其獨特的水硬性膠凝材料——水化硅酸鈣（C-S-H）及水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）。這類由石灰與火山灰等活性物質(zhì)通過水化反應形成的材料，展現(xiàn)出極強的耐久性。

受此啟發(fā)，研究團隊以大足石刻巖體為研究對象，成功研發(fā)出新型C-S-H基保護材料。

在常溫下，研究團隊將石灰、活性二氧化硅、石英砂與減水劑按比例混合，通過精準調(diào)控鈣硅比、水膠比、膠砂比以及減水劑摻量等參數(shù)，實現(xiàn)了C-S-H基砂漿的可控制備。

為篩選出與巖體兼容的配方，研究團隊采用多尺度分析技術(shù)，系統(tǒng)解析了巖石的化學成分、孔隙結(jié)構(gòu)與力學性能。通過模擬修復過程進行粘接測試，并經(jīng)過多次配方調(diào)整和匹配試驗，研究團隊最終研發(fā)出高純度、工作性能卓越且與巖石本體高度兼容的灌漿材料，為大足石刻石窟的滲水治理提供了針對性解決方案。

▲C-S-H基材料灌漿封堵過程示意及透射電鏡圖像

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揭示“親密無間”的奧秘

為了深入理解材料與巖石的結(jié)合機制，研究團隊借助先進的分子動力學模擬方法，搭建了C-S-H基膠凝材料與巖石主要礦物（石英SiO2、鈉長石NaAlSi3O8、方解石CaCO3）的界面模型。研究發(fā)現(xiàn)，除了物理結(jié)合以外，C-S-H基灌漿材料還能與巖石礦物表面形成化學鍵合，從而建立穩(wěn)定的界面結(jié)合。

具體而言，C-S-H與石英、方解石和鈉長石之間可形成密集的氫鍵（O-H）網(wǎng)絡。這一相互作用如同天然“膠水”，使修復材料與文物本體產(chǎn)生分子級別的緊密聯(lián)結(jié)。

▲C-S-H與巖石礦物界面相互作用的分子動力學模擬

這一重要發(fā)現(xiàn)，從原子尺度揭示了石質(zhì)文物保護材料的鍵合機制，為保護材料的理性設(shè)計提供了理論依據(jù)。

該研究為大足石刻的滲水病害治理帶來了希望，也為其他石窟文物的修復與保護開辟了全新道路。

古人的智慧結(jié)晶，在現(xiàn)代科技賦能下重新煥發(fā)生機。讓我們一起期待，在科技與歷史的“攜手”下，更多的文物能夠抵御歲月侵蝕，在未來繼續(xù)見證并訴說文明的輝煌故事。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202503333

來源：中國科學技術(shù)大學

責任編輯：王穎