Древние римляне были мастерами инженерного дела, они построили обширную сеть дорог, акведуков, портов и массивных зданий, остатки которых сохранились на протяжении двух тысячелетий. Многие из этих сооружений были построены из бетона: знаменитый римский Пантеон, который имеет самый большой в мире неармированный бетонный купол и был освящен в 128 году нашей эры, до сих пор не поврежден, а некоторые древние римские акведуки до сих пор доставляют воду в Рим. Но почему римский бетон был таким прочным?
Между тем, многие современные бетонные конструкции разрушились через несколько десятилетий.
Исследователи потратили десятилетия, пытаясь разгадать секрет этого сверхпрочного древнего строительного материала, особенно в сооружениях, которые выдерживали особенно суровые условия, таких как доки, коллекторы и дамбы, или те, которые были построены в сейсмически активных местах.
Прогресс достигнут — найден ключевой материал
Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и лабораторий в Италии и Швейцарии добилась прогресса в этой области, открыв древние стратегии производства бетона, которые включали в себя несколько ключевых функций самовосстановления. Результаты опубликованы в журнале Science Advances , в статье профессора гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Адмира Масика, бывшей докторантки Линды Сеймур и еще четырех человек.
В течение многих лет исследователи предполагали, что ключом к долговечности древнего бетона был один ингредиент: пуццолановый материал, такой как вулканический пепел из района Поццуоли в Неаполитанском заливе. Этот особый вид золы даже развозили по всей обширной Римской империи для использования в строительстве, и архитекторы и историки того времени описывали ее как ключевой ингредиент для бетона.
При более внимательном рассмотрении эти древние образцы также содержат небольшие характерные ярко-белые минеральные элементы миллиметрового масштаба, которые давно признаны вездесущим компонентом римских бетонов. Эти белые куски, часто называемые «обломками извести», происходят из извести, еще одного ключевого компонента древней бетонной смеси.
«С тех пор, как я впервые начал работать с древнеримским бетоном, меня всегда восхищали эти особенности», — говорит Масик. «Их нет в современных рецептурах бетона, так почему же они присутствуют в этих древних материалах?»
Новое исследование, которое ранее игнорировалось как просто свидетельство небрежного смешивания или некачественного сырья, предполагает, что эти крошечные обломки извести придали бетону ранее непризнанную способность к самовосстановлению.
«Меня всегда беспокоила мысль о том, что присутствие этих обломков извести просто связано с низким контролем качества», — говорит Масик. «Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые совершенствовались в течение многих веков, почему они приложили так мало усилий для обеспечения производства хорошо перемешанного конечного продукта? «В этой истории должно быть что-то большее».
После дальнейшей характеристики этих обломков извести с использованием многомасштабных изображений с высоким разрешением и методов химического картирования, впервые разработанных в исследовательской лаборатории Masic, исследователи получили новое представление о потенциальной функциональности этих обломков извести.
Во всем «виноваты» древние «секретные» технологии?
Исторически предполагалось, что когда известь добавлялась в римский бетон, она сначала смешивалась с водой с образованием высокореактивного пастообразного материала в процессе, известном как гашение. Но сам по себе этот процесс не мог объяснить присутствие обломков извести. Масик задался вопросом: «Возможно ли, что римляне действительно использовали известь в ее более реакционноспособной форме, известную как негашеная известь?»
Изучая образцы этого древнего бетона, он и его команда определили, что белые включения действительно состоят из различных форм карбоната кальция. А спектроскопическое исследование дало понять, что они образовались при экстремальных температурах, как и следовало ожидать из экзотермической реакции, вызванной использованием негашеной извести вместо или в дополнение к гашеной извести в смеси. Команда пришла к выводу, что горячее смешивание на самом деле было ключом к сверхпрочной природе.
«Преимущества горячего смешивания двойственны, — говорит Масик. «Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет 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 снижает отверждение и схватывание.Таким образом все реакции ускоряются, что позволяет строить гораздо быстрее».
В процессе горячего смешивания обломки извести образуют характерно хрупкую архитектуру наночастиц, создавая легко ломающийся и реактивный источник кальция, который, как предположила команда, может обеспечить критическую функцию самовосстановления. Как только в бетоне начинают образовываться крошечные трещины, они могут преимущественно проходить через обломки извести с большой площадью поверхности. Затем этот материал может реагировать с водой, создавая раствор, насыщенный кальцием, который может перекристаллизоваться в карбонат кальция и быстро заполнять трещину, или реагировать с пуццолановыми материалами для дальнейшего укрепления композитного материала. Эти реакции происходят спонтанно и, следовательно, автоматически заживляют трещины до их распространения.
Чтобы доказать, что это действительно был механизм, ответственный за долговечность римского бетона, команда изготовила образцы горячего бетона, которые включали как древние, так и современные рецептуры, преднамеренно раскололи их, а затем пропустили через трещины воду. Действительно: в течение двух недель трещины полностью зажили, и вода больше не могла течь. Идентичный кусок бетона, изготовленный без негашеной извести, никогда не срастался, и вода просто продолжала течь через образец. В результате этих успешных испытаний команда работает над коммерциализацией этого модифицированного цементного материала.
«Интересно думать о том, как эти более прочные составы бетона могут продлить не только срок службы этих материалов, но и как они могут повысить долговечность составов бетона, напечатанных на 3D-принтере», — говорит Масик.
Сверхкрепкий бетон с его высоким сроком службы поможет снизить воздействие производства бетона на окружающую среду
Он надеется, что благодаря увеличению срока службы и разработке более легких бетонных форм эти усилия помогут снизить воздействие производства цемента на окружающую среду, на которое в настоящее время приходится около 8 процентов глобальных выбросов парниковых газов. Наряду с другими новыми составами, такими как бетон, который действительно может поглощать углекислый газ из воздуха, эти улучшения могут помочь уменьшить глобальное воздействие бетона на климат.
В исследовательскую группу входили Жаниль Мара из Массачусетского технологического института, Паоло Сабатини из DMAT в Италии, Мишель Ди Томмазо из Instituto Meccanica dei Materiali в Швейцарии и Джеймс Уивер из Института биологической инженерии Висса в Гарвардском университете. Работа выполнена при содействии археологического музея Приверно, Италия.
Источник истории: материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом. Оригинал написан Дэвидом Чендлером.
