云冈石窟、龙门石窟、大足石刻……这些中华文明的璀璨瑰宝，正遭受岩体裂隙渗水的“慢性侵蚀”，亟需使用保护材料实现裂隙封堵。
中国科学技术大学联合多家机构，从古罗马建筑的奥秘中汲取灵感，研发出新型保护材料，为千年石刻瑰宝保驾护航。
01
古罗马混凝土技术
“华丽转身”
古罗马的万神殿和斗兽场历经两千年风雨巍然屹立，得益于其独特的水硬性胶凝材料——水化硅酸钙（C-S-H）及水化硅铝酸钙（C-A-S-H）。这类由石灰与火山灰等活性物质通过水化反应形成的材料，展现出极强的耐久性。
受此启发，研究团队以大足石刻岩体为研究对象，成功研发出新型C-S-H基保护材料。
在常温下，研究团队将石灰、活性二氧化硅、石英砂与减水剂按比例混合，通过精准调控钙硅比、水胶比、胶砂比以及减水剂掺量等参数，实现了C-S-H基砂浆的可控制备。
为筛选出与岩体兼容的配方，研究团队采用多尺度分析技术，系统解析了岩石的化学成分、孔隙结构与力学性能。通过模拟修复过程进行粘接测试，并经过多次配方调整和匹配试验，研究团队最终研发出高纯度、工作性能卓越且与岩石本体高度兼容的灌浆材料，为大足石刻石窟的渗水治理提供了针对性解决方案。
▲C-S-H基材料灌浆封堵过程示意及透射电镜图像
02
揭示“亲密无间”的奥秘
为了深入理解材料与岩石的结合机制，研究团队借助先进的分子动力学模拟方法，搭建了C-S-H基胶凝材料与岩石主要矿物（石英SiO2、钠长石NaAlSi3O8、方解石CaCO3）的界面模型。研究发现，除了物理结合以外，C-S-H基灌浆材料还能与岩石矿物表面形成化学键合，从而建立稳定的界面结合。
具体而言，C-S-H与石英、方解石和钠长石之间可形成密集的氢键（O-H）网络。这一相互作用如同天然“胶水”，使修复材料与文物本体产生分子级别的紧密联结。
▲C-S-H与岩石矿物界面相互作用的分子动力学模拟
这一重要发现，从原子尺度揭示了石质文物保护材料的键合机制，为保护材料的理性设计提供了理论依据。
该研究为大足石刻的渗水病害治理带来了希望，也为其他石窟文物的修复与保护开辟了全新道路。
古人的智慧结晶，在现代科技赋能下重新焕发生机。让我们一起期待，在科技与历史的“携手”下，更多的文物能够抵御岁月侵蚀，在未来继续见证并诉说文明的辉煌故事。
论文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202503333
来源：中国科学技术大学
责任编辑：王颖