Почему римский бетон был таким прочным? Ученые говорят, что он может исцелить себя!!!

Материаловеды работают с археологами и историками в течение многих лет, пытаясь раскрыть увлекательные секреты технологий и методов изготовления бетона Римской империи, которые позволили римлянам построить некоторые из самых прочных памятников, которые когда-либо видел мир. В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета при содействии экспертов из лабораторий Германии и Швейцарии раскрыли то, что, по их мнению, является ключевым фактом, объясняющим, почему римский бетон был такого высокого качества.

Наследие римской архитектуры

Среди своих величайших достижений древние римляне совершенствовали искусство строительства с большим размахом. Их архитекторы и инженеры построили сложную и разветвленную сеть дорог, акведуков, мостов, портов, стадионов и общественных зданий, которые в значительной степени сохранились до наших дней.

Римские бетонные формулы являются завораживающей темой с исторической точки зрения, но с практической точки зрения то, что знали римляне, может помочь улучшить методологии бетонного производства даже сегодня.

В поисках ответов исследователи потратили много времени и энергии на изучение римских бетонных конструкций, тщательно анализируя образцы в попытке определить их наиболее важные ингредиенты. Команда ученых, ответственных за последние результаты, включает профессора гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Адмир Масича и бывшего докторанта Массачусетского технологического института Линду Сеймур, которые оба участвовали в знаковом исследовании 2021 года 2-летней римской гробницы дворянки по имени Цецилия Метелла, которая осталась в значительной степени неповрежденной, несмотря на огромный ход времени.

Интерьер гробницы Цецилии Метеллы на Аппиевой дороге выдержал испытание временем из-за тайн римского бетона

Масич, Сеймур и другие ученые, участвовавшие в этом исследовании, обнаружили, что невероятно прочный раствор, изготовленный из гидратированной извести и вулканического стекла, был основным фактором, который позволил гробнице остаться нетронутой с момента ее первоначального строительства в последние дни Римской республики.

Теперь, вместе с новой группой экспертов, Масич и Сеймур сделали еще одно важное открытие о римских методах строительства бетона, которое помогает объяснить удивительную продолжительность жизни их структур. И что интересно, в очередной раз было показано, что уникальный материал, изготовленный из извести, сделал решающее значение.

Как римляне манипулировали химией, чтобы получить самый прочный бетон в истории

Долгое время исследователи были убеждены, что особый тип вулканического пепла, входящий в состав римского бетона, был основной причиной его долговечности. Тип пепла, о котором идет речь, был известен как пуццолановый пепел, поскольку он произошел от извержений, которые произошли вокруг города Поццуоли в Неаполитанском заливе. Этот специфический пепел широко использовался в строительных проектах по всей Римской империи, будучи востребованным из-за его твердого и выносливого химического состава.

Но этот вулканический пепел не был полностью ответственен за долговечность римского бетона, выяснили ученые MIT и их коллеги. Во время обширного изучения нескольких образцов исследователи обнаружили, что древние методологии производства бетона включали то, что они называют «ключевыми функциями самовосстановления».

Эта терминология имеет в виду крошечные, яркие белые куски минерала, известные как «известковые класты», которые можно найти в изобилии в римском бетоне.

Увеличенный кусок римского бетона, состоящий из извести, вулканического песка и камня

Ранее предполагалось, что эти куски затвердевшей извести являются загрязняющими веществами, которые не играют существенной роли в бетонной формуле. Но Адмир Масич всегда скептически относился к этой идее и намеревался доказать, что это неправда.

«С тех пор, как я впервые начал работать с древнеримским бетоном, я всегда был очарован этими особенностями», — объяснил он. «Мысль о том, что наличие этих известковых кластов просто объясняется низким контролем качества, всегда беспокоила меня. Если римляне приложили так много усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые были оптимизированы в течение многих веков, почему они приложили так мало усилий для обеспечения производства хорошо смешанного конечного продукта? В этой истории должно было быть нечто большее».

И действительно было. Ученые использовали методы визуализации и химического картирования с высоким разрешением, впервые разработанные в Массачусетском технологическом институте, для изучения известковых кластов на молекулярном уровне. Когда они это сделали, они обнаружили явные признаки, показывающие, что класты подвергались воздействию высокой температуры, которая при нанесении на известняк производит вещество, известное как негашеная известь.

Ученые обнаружили, что негашеная известь была создана намеренно в качестве дополнительного ингредиента в бетоне и вообще не была нежелательным загрязнителем.

«Преимущества горячего смешивания двоякие», — отметил Масич. «Во-первых, когда общий бетон нагревается до высоких температур, это позволяет химические вещества, которые невозможны, если вы используете только гашеную [холодную смешанную] 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 гораздо быстрее строить».

В результате процесса горячего перемешивания образующиеся известковые класты были довольно хрупкими, настолько, что, когда что-либо вызывало растрескивание бетона, сила переводилась в известковые класты, которые затем также начинали трескаться. Невероятно, но осыпающиеся известковые класты затем вступают в реакцию с водой, проникающей в бетон через трещины, создавая насыщенный кальцием раствор, который затвердевал, чтобы заполнить все трещины в бетоне, и реагировал с пуццолановыми материалами, чтобы добавить дополнительную прочность блокам.

Другими словами, известковые класты автоматически «исцеляют» бетон всякий раз, когда силы природы угрожают разорвать его на части.

Богатый кальцием известковый класт (красного цвета), который отвечает за уникальные самовосстанавливающиеся свойства в этом древнем материале, хорошо виден в нижней области крупной элементарной карты (Кальций: красный, Кремний: синий, Алюминий: зеленый) 2-сантиметрового фрагмента древнеримского бетона.

Чтобы проверить свои выводы о способности известковых кластов к самовосстановлению, исследователи создали образцы горячего бетона, используя как древнеримские, так и современные бетонные формулы. Затем они специально взломали различные образцы и вылили воду через трещины, чтобы посмотреть, что произойдет.

Как и предсказывалось, не более чем через две недели потрескавшиеся блоки, изготовленные из бетона Римской империи, полностью зажили и больше не были уязвимы для проникновения воды. И наоборот, образцы, изготовленные из современных бетонных формул, оставались трещинами и еще больше испортились бы, если бы подвергались непрерывному потоку воды.

Можно ли использовать римский бетон сегодня? Ученые хотят знать

Взволнованные результатами своих испытаний, ученые теперь ищут партнеров для финансирования коммерциализации бетона в римском стиле, который предлагает явные преимущества для большинства современных версий.

«Интересно подумать о том, как эти более прочные бетонные составы могут увеличить не только срок службы этих материалов, но и как это может повысить долговечность 3D-печатных бетонных составов», — сказал Масич.

В исследовательской лаборатории Admir Masic в Массачусетском технологическом институте ученые экспериментируют с новыми бетонными формулами, которые могут уменьшить влияние производства цемента на глобальный климат (на производство цемента в настоящее время приходится около восьми процентов глобальных выбросов парниковых газов). Масич отмечает, что более долговечный бетон может помочь снизить этот процент, поскольку конструкции из цементных блоков, которые просуществовали до тех пор, пока римские акведуки или общественные здания не нужно было ремонтировать или заменять очень часто.