Причины стойкости древнеримского бетона
Древние римляне были мастерами строительства и инженерии, возможно, наиболее известными из которых являются акведуки. И эти все еще функциональные чудеса опираются на уникальный строительный материал: пуццолановый бетон, который придал римским сооружениям невероятную прочность.
Даже сегодня одно из их сооружений — Пантеон, сохранившийся до наших дней и насчитывающий почти 2000 лет, — является рекордсменом по величине в мире купола из неармированного бетона.
Свойства этого бетона обычно приписываются его ингредиентам: пуццолане, смеси вулканического пепла — названного в честь итальянского города Поццуоли, где можно найти его значительные залежи — и извести. При смешивании с водой эти два материала могут реагировать, образуя прочный бетон.
Но, как оказалось, это еще не все. В 2023 году международная группа исследователей под руководством Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила, что не только материалы немного отличаются от того, что мы могли подумать, но и методы, используемые для их смешивания, также были другими.
Дымящиеся пушки были маленькими белыми кусками извести, которые можно найти в том, что, по-видимому, в остальном является хорошо перемешанным бетоном. Присутствие этих кусков ранее приписывалось плохому смешиванию или материалам, но это не имело смысла для материаловеда Адмира Масича из Массачусетского технологического института.
"Мысль о том, что наличие этих известковых обломков можно объяснить просто низким контролем качества, всегда меня беспокоила", — сказал Масич еще в январе 2023 года.
"Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые были оптимизированы 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".
Масич и команда под руководством инженера-строителя из Массачусетского технологического института Линды Сеймур тщательно изучили образцы римского бетона возрастом 2000 лет с археологического объекта Привернум в Италии. Эти образцы были подвергнуты широкополосной сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции и конфокальной рамановской визуализации для лучшего понимания известковых обломков.
"Одним из вопросов, которые мы имели в виду, была природа используемой извести. Стандартное понимание пуццоланового бетона заключается в том, что он использует гашеную известь. Сначала известняк нагревают при высоких температурах, чтобы получить высокореактивный каустический порошок, называемый негашеной известью, или оксидом кальция.
Смешивание негашеной извести с водой дает гашеную известь, или гидроксид кальция: немного менее реактивную, менее едкую пасту. Согласно теории, именно эту гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланой.
На основе анализа команды, обломки извести в их образцах не соответствуют этому методу. Скорее всего, римский бетон был изготовлен путем смешивания негашеной извести непосредственно с пуццоланой и водой при чрезвычайно высоких температурах, отдельно или в сочетании с гашеной известью, процесс, который команда называет "горячим смешиванием", в результате которого образуются обломки извести. Преимущества горячего смешивания двояки", — сказал Масич.
"Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, он допускает химические реакции, которые были бы невозможны, если бы вы использовали только гашеную известь, производя высокотемпературные 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 у него есть еще одно преимущество: обломки извести придают бетону замечательную способность к самовосстановлению.
Когда в бетоне образуются трещины, они преимущественно перемещаются к обломкам извести, которые имеют большую площадь поверхности, чем другие частицы в матрице. Когда вода попадает в трещину, она реагирует с известью, образуя раствор, богатый кальцием, который высыхает и затвердевает как карбонат кальция, склеивая трещину и не давая ей распространяться дальше.
Это было замечено 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 нетронутым на протяжении тысячелетий, несмотря на постоянные удары моря.
Итак, команда проверила свои выводы, изготовив пуццолановый бетон по древним и современным рецептам с использованием негашеной извести. Они также изготовили контрольный бетон без негашеной извести и провели испытания на трещины. Конечно же, потрескавшийся негашеный известь бетон полностью восстановился в течение двух недель, но контрольный бетон остался треснувшим.
В настоящее время команда работает над коммерциализацией своего бетона как более экологичной альтернативы существующим видам бетона.
"Интересно подумать о том, как эти более долговечные бетонные составы могут не только продлить срок службы этих материалов, но и повысить долговечность бетонных составов, напечатанных на 3D-принтере", — сказал Масич .
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
