Иван Книжник. Тайна римского бетона

Древние римляне были мастерами инженерного дела, построив огромные сети дорог, акведуков, портов и огромных зданий, остатки которых сохранились на протяжении двух тысячелетий.

Многие из этих сооружений были построены из бетона: Знаменитый Пантеон в Риме, имеющий самый большой в мире купол из неармированного бетона и открытый в 128 году н.э., до сих пор цел, а некоторые древнеримские акведуки и сегодня доставляют воду в Рим. Между тем, многие современные бетонные конструкции разрушаются уже через несколько десятилетий.

Исследователи потратили десятилетия, пытаясь разгадать секрет этого сверхпрочного древнего строительного материала, особенно в конструкциях, которые выдерживали особенно суровые условия, таких как доки, канализации и морские стены, или построенных в сейсмически активных местах.

Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и лабораторий Италии и Швейцарии добилась прогресса в этой области, обнаружив древние технологии изготовления бетона, которые включают в себя несколько ключевых компонентов самовосстановления. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances в статье профессора гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института Адмира Масича, бывшей аспирантки Линды Сеймур и еще четырех человек.

В течение многих лет исследователи предполагали, что ключ к долговечности древнего бетона был основан на одном ингредиенте: пуццолановом материале, таком как вулканический пепел из района Поццуоли на берегу Неаполитанского залива. Этот конкретный вид пепла даже доставлялся по всей огромной Римской империи для использования в строительстве и был описан как ключевой ингредиент для бетона в отчетах архитекторов и историков того времени.

При ближайшем рассмотрении эти древние образцы также содержат небольшие, характерные, миллиметровые ярко-белые минералы, которые уже давно признаны вездесущим компонентом римских бетонов. Эти белые кусочки, часто называемые “известковыми обломками”, происходят из извести, еще одного ключевого компонента древней бетонной смеси.

“С тех пор как я впервые начал работать с древнеримским бетоном, меня всегда завораживали эти особенности”, – говорит Масич. “Они не встречаются в современных бетонных составах, так почему же они присутствуют в этих древних материалах?”.

Ранее не принимавшиеся во внимание как свидетельство небрежной практики смешивания или некачественного сырья, в новом исследовании предполагается, что эти крошечные известковые частицы придают бетону ранее неизвестную способность к самовосстановлению. “Идея о том, что наличие этих известковых частиц просто объясняется низким контролем качества, всегда беспокоила меня”, – говорит Масич. “Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые были оптимизированы на протяжении многих веков, почему они приложили так мало усилий для обеспечения производства хорошо перемешанного конечного продукта? В этой истории должно быть что-то еще”.

После дальнейшей характеризации этих известковых комков с использованием мультимасштабной визуализации высокого разрешения и методов химического картирования, впервые примененных в лаборатории Масича, исследователи получили новое представление о потенциальной функциональности этих известковых включений.

Исторически считалось, что при включении извести в римский бетон она сначала соединялась с водой, образуя высокореактивный пастообразный материал, в процессе, известном как гашение. Но сам по себе этот процесс не мог объяснить присутствие известковых обломков. Масич задался вопросом: “Возможно ли, что римляне могли непосредственно использовать известь в ее более реактивной форме, известной как негашеная известь?”.

Изучая образцы этого древнего бетона, он и его команда определили, что белые включения действительно состояли из различных форм карбоната кальция. А спектроскопическое исследование позволило установить, что они образовались при экстремальных температурах, как и следовало ожидать в результате экзотермической реакции, вызванной использованием негашеной извести вместо или в дополнение к гашеной извести в смеси. Горячее смешивание, заключила исследовательская группа, на самом деле является ключом к сверхпрочности.

“Преимущества горячего смешивания двояки”, – говорит Масич. “Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, в нем возникают химические реакции, которые невозможны, если использовать только гашеную известь, образуются соединения, связанные с высокой температурой, которые иначе не образовались бы. Во-вторых, повышенная температура значительно сокращает время твердения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство”.

В процессе горячего смешивания известковые глыбы приобретают характерную хрупкую наночастичную архитектуру, создавая легко разрушаемый и реактивный источник кальция, который, как предположила команда, может обеспечить критически важную функцию самовосстановления. Как только в бетоне начинают образовываться крошечные трещины, они могут преимущественно проходить через известковые класты с высокой поверхностной площадью.

Затем этот материал может реагировать с водой, образуя насыщенный кальцием раствор, который может перекристаллизоваться в карбонат кальция и быстро заполнить трещину, или вступить в реакцию с пуццолановыми материалами для дальнейшего укрепления композитного материала. Эти реакции происходят спонтанно и поэтому автоматически устраняют трещины до их распространения. Подтверждение этой гипотезы было найдено при исследовании других образцов римского бетона, в которых наблюдались трещины, заполненные кальцитом.

Чтобы доказать, что это действительно механизм, ответственный за долговечность римского бетона, группа исследователей изготовила образцы горячей бетонной смеси, включающей древние и современные составы, намеренно расколола их, а затем пропустила воду через трещины. И не ошиблась: В течение двух недель трещины полностью затянулись, и вода больше не текла. Идентичный кусок бетона, изготовленный без негашеной извести, так и не восстановился, и вода продолжала течь через образец. В результате этих успешных испытаний команда работает над коммерциализацией этого модифицированного цементного материала.

“Очень интересно думать о том, как эти более прочные бетонные составы могут увеличить не только срок службы этих материалов, но и повысить долговечность 3D-печатных бетонных составов”, – говорит Масич.

Благодаря увеличению срока службы и разработке более легких бетонных форм, Масич надеется, что эти усилия помогут снизить воздействие на окружающую среду производства цемента, на долю которого в настоящее время приходится около 8 процентов глобальных выбросов парниковых газов. Наряду с другими новыми рецептурами, такими как бетон, который может фактически поглощать углекислый газ из воздуха, что является еще одним направлением исследований лаборатории Масича, эти усовершенствования могут помочь снизить глобальное воздействие бетона на климат.

В исследовательскую группу вошли Джаниль Марах из Массачусетского технологического института, Паоло Сабатини из DMAT в Италии, Мишель Ди Томмазо из Instituto Meccanica dei Materiali в Швейцарии и Джеймс Уивер из Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering в Гарвардском университете. Работа была выполнена при содействии археологического музея Приверно, Италия.

Иван Книжник

Источник

Еще по теме