Мы наконец-то знаем, как древнеримский бетон прослужил тысячи лет: ScienceAlert

Древние римляне были мастерами строительства и инженерного дела, наиболее заметной из которых, пожалуй, были акведуки. Эти до сих пор функционирующие чудеса основаны на уникальном строительном материале: пуццолановом бетоне, удивительно прочном бетоне, который придавал римским постройкам невероятную прочность.

Даже сегодня одно из их зданий – Пантеон, сохранившийся до сих пор и которому почти 2000 лет, – является рекордсменом по величине в мире неармированного бетонного купола.

Свойства этого бетона обычно приписывают его ингредиентам: пуццолану, смеси вулканического пепла, названному в честь итальянского города Поццуоли, где находятся большие его залежи, и Лайм. При смешивании с водой эти два материала могут вступить в реакцию с образованием прочного бетона.

Но, как оказалось, это еще не вся история. В 2023 году международная группа исследователей под руководством Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила, что не только материалы немного отличались от того, что мы думали, но и методы их смешивания тоже были другими.

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

«Меня всегда беспокоила мысль о том, что наличие этих известняковых блоков просто связано с плохим контролем качества». Мачек сказал Еще в январе 2023 года.

«Если римляне приложили так много усилий для изготовления строительного материала премиум-класса, следуя всем подробным рецептам, которые совершенствовались на протяжении многих столетий, то почему они приложили так мало усилий для получения хорошо смешанного конечного продукта? Должно быть больше к этой истории».

Мачек и его команда под руководством инженера-строителя Массачусетского технологического института Линды Сеймур изучили образцы римского бетона возрастом 2000 лет из археологического памятника Перевернум в Италии. Эти образцы были подвергнуты сканирующей электронной микроскопии большой площади, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции и конфокальной рамановской визуализации, чтобы лучше понять известковые массы.

Одним из вопросов, которые меня интересовали, был характер используемой извести. Стандартное понимание пуццоланового бетона заключается в том, что он используется Гашеная известь. Сначала известняк нагревают при высоких температурах для получения высокореактивного едкого порошка, называемого известняком. Негашеная известьИли оксид кальция.

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

Согласно анализу команды, известковые блоки, обнаруженные в их образцах, не соответствовали этому методу. Альтернативно, римский бетон мог быть изготовлен путем смешивания негашеной извести непосредственно с пуццоланом и водой при чрезвычайно высоких температурах, отдельно или в дополнение к гашеной извести. Этот процесс команда называет «горячим смешиванием», в результате которого получаются известковые крошки.

«Преимущества горячего смешивания двояки». Мачек сказал.

«Во-первых, когда бетон с заполнителем нагревается до высоких температур, это позволяет иметь место химическим процессам, которые невозможны, если вы используете только гашеную известь, создавая высокотемпературные связующие соединения, которые не могут образовываться иначе. Во-вторых, эта повышенная температура резко снижает скорость отверждения и время затвердевания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство».

У него есть еще одно преимущество: известковая крошка придает бетону замечательную способность к самовосстановлению.

Когда в бетоне образуются трещины, они преимущественно перемещаются в известковые блоки, площадь поверхности которых выше, чем у других частиц в матрице. Когда вода попадает в трещину, она вступает в реакцию с известью, образуя богатый кальцием раствор, который высыхает и затвердевает, как карбонат кальция, склеивая трещину и предотвращая ее дальнейшее распространение.

этот Это было замечено В бетоне из другого места возрастом 2000 лет, гробницы Сесилии Метеллы, где трещины в бетоне были заполнены кальцитом. Это также может объяснить, почему римский бетон морских стен, построенных 2000 лет назад, оставался нетронутым на протяжении тысячелетий, несмотря на постоянные удары океанов.

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 известняковый бетон полностью затвердел в течение двух недель, но контрольный бетон остался с трещинами.

Сейчас команда работает над продвижением своего бетона как более экологически чистой альтернативы нынешнему бетону.

«Интересно подумать о том, как эти более прочные бетонные композиции могут увеличить не только срок службы этих материалов, но и как они могут улучшить долговечность бетонных композиций, напечатанных на 3D-принтере». Мачек сказал.

Исследование было опубликовано в Развитие науки.

Версия этой статьи была впервые опубликована в январе 2023 года.