Мы наконец-то знаем, почему древнеримский бетон выдержал испытание временем

Древние римляне были искусными строителями и инженерами, наиболее известной из которых, пожалуй, являются все еще функционирующие акведуки. И эти архитектурные чудеса основаны на уникальном строительном материале: пуццолановом бетоне, невероятно прочном материале, который придавал римским постройкам их невероятную прочность.

Даже сегодня одно из их сооружений — Пантеон, все еще нетронуто, и ему почти 2000 лет. старый — является рекордсменом по величине в мире купола из неармированного бетона.

Свойства этого бетона обычно объясняются его ингредиентами: пуццолана, смесь вулканического пепла, названная в честь итальянского города Поццуоли, где можно найти значительное его месторождение – и извести. При смешивании с водой эти два материала могут реагировать с образованием прочного бетона.

Но, как выясняется, это еще не все. Международная группа исследователей во главе с Массачусетским технологическим институтом (MIT) обнаружила, что не только материалы немного отличаются от того, что мы, возможно, думали, но и методы, используемые для их смешивания, также были другими.

дымящиеся пушки были маленькими белыми кусочками извести, которые можно найти в том, что в остальном кажется хорошо перемешанным бетоном. Присутствие этих кусков ранее приписывалось плохому смешиванию или материалам, но это не имело смысла для материаловеда Адмира Масика из Массачусетского технологического института.

«Идея о том, что присутствие этих обломков извести было просто приписано низкий контроль качества всегда беспокоил меня», — сказал Масич в заявлении от января 2023 года.

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

Масик и его команда во главе с гражданским отделом Массачусетского технологического института Инженер Линда Сеймур тщательно изучила 2000-летние образцы римского бетона из археологических раскопок Привернум 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 обломки извести.

Один из вопросы в виду была природа используемой извести. Стандартное понимание пуццоланового бетона состоит в том, что в нем используется гашеная известь. Во-первых, известняк нагревают при высоких температурах, чтобы получить высокореактивный едкий порошок, называемый 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 эту гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланой.

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

«Горячее смешивание имеет двоякие преимущества, – говорит Масик. 

«Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, можно использовать химические вещества, которые были бы невозможны, если бы вы использовали только гашеную известь. , производя связанные с высокой температурой соединения, 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 еще одно Преимущество: обломки извести придают бетону замечательную способность к самовосстановлению.

Когда в бетоне образуются трещины, они преимущественно перемещаются к обломкам извести, площадь поверхности которых выше, чем у других частиц 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.

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

Итак, команда проверила свои выводы, изготовив пуццолановый бетон по древним и современным рецептам с использованием негашеной извести. Они также сделали контрольный бетон без негашеной извести и провели испытания на трещинообразование. Разумеется, треснувший бетон из негашеной извести полностью зажил в течение двух недель, но контрольный бетон остался с трещинами.

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

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

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Версия этой статьи была впервые опубликована в январе 2023 года.