RW Space

Древние римляне были мастерами строительства и инженерного дела, наиболее известными 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 нетронутый и которому почти 2000 лет, – является рекордсменом по величине в мире купола из неармированного бетона.

Свойства этого бетона обычно приписывают его ингредиентам: пуццолану, смеси вулканического пепла, названному в честь итальянского города Поццуоли, где обнаружены значительные его залежи, а также известь. При смешивании с водой эти два материала могут вступить в реакцию с образованием прочного бетона.

Но это, как вышло выход, это еще не вся история. 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. Наличие этих кусков ранее приписывалось плохому смешиванию или материалам, но это не имело смысла для ученого-материаловеда Адмира Масика из Массачусетского технологического института.

«Меня всегда беспокоила мысль о том, что наличие этих известковых обломков просто связано с низким контролем качества», — сказал Масик еще в январе 2023 года.

«Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые оптимизировались на протяжении многих столетий, то зачем они приложили так мало усилий для создания хорошо смешанного конечного продукта. В этой истории должно быть что-то еще.»

Масик и его команда под руководством инженера-строителя Массачусетского технологического института Линды Сеймур тщательно изучили 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 обломки.

Одним из вопросов, который возник, был вопрос о природе используемой извести. Стандартное понимание пуццоланового бетона заключается в том, что в нем используется гашеная известь. Сначала известняк нагревается при высоких температурах для получения высокореактивного каустического порошка, называемого негашеной известью или оксидом кальция.

При смешивании негашеной извести с водой образуется гашеная известь или гидроксид кальция: чуть менее реакционноспособная и менее едкая паста. Согласно теории, именно гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланом.

Основываясь на анализе группы, известковые обломки в их образцах не соответствуют этому методу. Скорее, римский бетон, вероятно, 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 процессы, которые невозможны, если бы вы использовали только гашеную известь, производя высокотемпературную связанные соединения, которые иначе 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 одно преимущество: известковые частицы придают бетону замечательные способности к самовосстановлению.

Когда в бетоне образуются трещины, они преимущественно перемещаются в известковые обломки, 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.

Это наблюдалось в бетоне другого 2000-летнего памятника, гробницы Цецилии Метеллы, где трещины в бетоне были заполнены кальцитом. Это также могло бы объяснить, почему римский бетон дамб, построенных 2000 лет назад, сохранился нетронутым 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 с трещинами.

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

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

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Версия этой статьи впервые опубликовано в январе 2023 года.