Мы наконец-то знаем, как древнеримский бетон мог прослужить тысячи лет

Древние римляне были мастерами строительства и инженерного дела, наиболее известным из которых, пожалуй, были акведуки. И эти все еще функциональные чудеса основаны на уникальном строительном материале: пуццолановом бетоне, чрезвычайно прочном бетоне, который придавал римским постройкам невероятную прочность.

Даже сегодня одно из их сооружений – Пантеон – все еще нетронутым и насчитывает почти 2000 человек. лет – является рекордсменом по величине купола в мире из неармированного бетона.

Свойства этого бетона обычно объясняются его ингредиентами: пуццоланом, смесью вулканического пепла, названной в честь итальянского города Поццуоли. , где можно найти значительные его месторождения – и извести. При смешивании с водой эти два материала могут вступить в реакцию с образованием прочного бетона.

Но это, как оказывается, еще не все. В 2023 году международная группа исследователей под руководством Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила, что не только материалы немного отличаются от того, о чем мы думали, но и методы их смешивания также различаются.

Дымящимися пушками были маленькие белые куски извести, которые можно было найти в, казалось бы, хорошо перемешанном бетоне. Присутствие этих кусков ранее приписывалось плохому смешиванию или плохому смешиванию материалов, но это не имело смысла для ученого-материаловеда Адмира Масича из Массачусетского технологического института.

«Идея о том, что присутствие этих кусков извести была просто приписана низкий контроль качества всегда беспокоил меня», — сказал Масич еще в январе 2023 года.

Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые были оптимизированы в течение всего курса на протяжении многих столетий, почему они приложили так мало усилий для обеспечения производства хорошо перемешанного конечного продукта? В этой истории должно быть что-то еще».

Масик и команда под руководством инженера-строителя Массачусетского технологического института Линда Сеймур тщательно изучила образцы римского бетона возрастом 2000 лет из археологических раскопок Привернума в Италии. Эти образцы были подвергнуты сканирующей электронной микроскопии большой площади и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции и конфокальной рамановской визуализации, чтобы лучше понять известковые класты.

Один из Вопросы, которые имелись в виду, заключались в природе используемой извести. Стандартное понимание пуццоланового бетона заключается в том, что в нем используется гашеная известь. Во-первых, известняк нагревается при высоких температурах для получения высокореактивного каустического порошка, называемого негашеной известью или оксидом кальция.

Смешивание негашеной извести с водой дает гашеную известь или гидроксид кальция: немного менее реакционноспособную и менее едкую пасту. Согласно теории, именно гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланом.

Основываясь на анализе команды, обломки извести в их образцах не соответствуют этому методу. Скорее всего, римский бетон, скорее всего, был изготовлен путем смешивания негашеной извести непосредственно с пуццоланой и водой при чрезвычайно высоких температурах, отдельно или в дополнение к гашеной извести. Этот процесс команда называет «горячим смешиванием», в результате которого образуются известковые обломки.

«Преимущества горячего смешивания двояки», — сказал Масик.

«Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет использовать химические вещества, которые были бы невозможны, если бы вы использовали только гашеную известь. «, производя соединения, связанные с высокой температурой, которые в противном случае не образовались бы. Во-вторых, эта повышенная температура значительно сокращает время отверждения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство».

И у этого есть еще один Преимущество: известковые частицы придают бетону замечательные способности к самовосстановлению.

Когда в бетоне образуются трещины, они преимущественно перемещаются к известковым частицам, которые имеют большую площадь поверхности, чем другие частицы в матрице. Когда вода попадает в трещину, она вступает в реакцию с известью, образуя раствор, богатый кальцием, который высыхает и затвердевает в виде карбоната кальция, склеивая трещину и предотвращая ее дальнейшее распространение.

Такое наблюдалось. в бетоне другого 2000-летнего памятника, гробницы Цецилии Метеллы, где трещины в бетоне заполнены кальцитом. Это также может объяснить, почему римский бетон из морских дамб, построенных 2000 лет назад, оставался неповрежденным на протяжении тысячелетий, несмотря на постоянные удары океана.

Итак, команда проверила свои выводы, приготовив пуццолановый бетон по древним и современным рецептам с использованием негашеной извести. Они также изготовили контрольный бетон без негашеной извести и провели испытания на растрескивание. Разумеется, растрескавшийся бетон из негашеной извести полностью зажил в течение двух недель, но контрольный бетон остался треснувшим.

Сейчас команда работает над коммерциализацией своего бетона как более экологически чистой альтернативы существующим бетонам.

>

«Интересно думать о том, как эти более прочные составы бетона могут продлить не только срок службы этих материалов, но и как они могут повысить долговечность бетонных составов, напечатанных на 3D-принтере», — сказал Мэсик.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.

Версия этой статьи была впервые опубликована в январе 2023 года.