Вчені розкрили секрет міцності давньоримського бетону

Навіть сьогодні одна з їхніх споруд — Пантеон, що зберігся до наших днів і налічує майже 2000 років, є рекордсменом за величиною у світі купола з неармованого бетону.

Властивості цього бетону зазвичай приписуються його інгредієнтам: пуццолане, суміші вулканічного попелу – названого на честь італійського міста Поццуолі, де можна знайти його значні поклади – та вапна. При змішуванні із водою ці два матеріали можуть реагувати, утворюючи міцний бетон.

Підписуйтеcь на наш Telegram-канал Lenta.UA - ЄДИНІ незалежні новини про події в Україні та світі

Але, як виявилось, це ще не все. У 2023 році міжнародна група дослідників під керівництвом Массачусетського технологічного інституту (MIT) виявила, що не лише матеріали трохи відрізняються від того, що ми могли подумати, а й методи, які використовуються для їх змішування, також були іншими. Дослідження опубліковано в журналі Science Advances.

Гармати, що димилися, були маленькими білими шматками вапна, які можна знайти в тому, що, мабуть, в іншому є добре перемішаним бетоном. Присутність цих шматків раніше приписувалося поганому змішуванню чи матеріалам, але це мало сенсу для матеріалознавця Адміра Масича з Массачусетського технологічного інституту.

"Думка про те, що наявність цих вапняних уламків можна пояснити просто низькою якістю контролю, завжди мене непокоїла", - сказав Масич.

«Якщо римляни доклали стільки зусиль для створення видатного будівельного матеріалу, дотримуючись усіх докладних рецептів, які були оптимізовані протягом багатьох століть, чому вони доклали так мало зусиль для забезпечення виробництва добре перемішаного кінцевого продукту? У цій історії має бути ще щось».

Масич та його команда під керівництвом інженера-будівельника з Массачусетського технологічного інституту Лінди Сеймур ретельно вивчили 2000-річні зразки римського бетону з археологічних розкопок Привернуму в Італії.

Для кращого розуміння вапняних уламків ці зразки були піддані скануючої електронної мікроскопії великої площі, енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії, рентгенівської порошкової дифракції та конфокальної раманівської візуалізації.

Одним із питань, які ми мали на увазі, була природа вапна, що використовується. Стандартне розуміння пуцоланового бетону полягає в тому, що він використовує гашене вапно. Спочатку вапняк нагрівають при високих температурах, щоб отримати високореактивний каустичний порошок, званий вапном негашеним, або оксидом кальцію.

Змішування негашеного вапна з водою дає гашене вапно, або гідроксид кальцію: трохи менш реактивну, менш їдку пасту. Згідно з теорією, саме це гашене вапно древні римляни змішували з пуццоланою.

На основі аналізу команди, уламки вапна у їхніх зразках не відповідають цьому методу. Швидше за все, римський бетон був виготовлений шляхом змішування негашеного вапна безпосередньо з пуццоланою та водою при надзвичайно високих температурах, окремо або у поєднанні з гашеним вапном, процес, який команда називає «гарячим змішуванням», у результаті якого утворюються уламки вапна.

"Переваги гарячого змішування двояки", - сказав Масич.

«По-перше, коли весь бетон нагрівається до високих температур, він допускає хімічні реакції, які були б неможливі, якби ви використовували тільки гашене вапно, виробляючи високотемпературні сполуки, які б не утворилися. По-друге, ця підвищена температура значно скорочує час затвердіння та схоплювання, оскільки всі реакції прискорюються, що дозволяє значно прискорити будівництво».

І у нього є ще одна перевага: уламки вапна надають бетону чудової здатності до самовідновлення.

Коли в бетоні утворюються тріщини, вони переважно переміщаються до уламків вапна, які мають більшу площу поверхні, ніж інші частинки в матриці. Коли вода потрапляє в тріщину, вона реагує з вапном, утворюючи розчин, багатий на кальцій, який висихає і твердне як карбонат кальцію, склеюючи тріщину і не даючи їй поширюватися далі.

Це було помічено у бетоні з іншого 2000-річного місця, гробниці Цецилії Метелли, де тріщини у бетоні були заповнені кальцитом. Це також може пояснити, чому римський бетон з морських гребель, побудованих 2000 років тому, зберігся незайманим протягом тисячоліть, незважаючи на постійні удари океану.

Отже, команда перевірила свої висновки, виготовивши пуцолановий бетон за стародавніми та сучасними рецептами з використанням негашеного вапна. Вони також виготовили контрольний бетон без негашеного вапна та провели випробування на тріщини. Звичайно ж, потрісканий негашений вапно бетон повністю зажив протягом двох тижнів, але контрольний бетон залишився тріснутим.

В даний час команда працює над комерціалізацією свого бетону як екологічнішої альтернативи існуючим видам бетону.

«Цікаво подумати про те, як ці довговічніші бетонні склади можуть не лише продовжити термін служби цих матеріалів, а й підвищити довговічність бетонних складів, надрукованих на 3D-принтері», — сказав Масич.

Фото: Майкл Вілсон/Flickr/CC-BY-SA 2.0