Представьте сооружение, которое стоит неподвижно уже почти 2000 лет, выдерживая землетрясения, войны и неумолимое влияние времени. Пантеон в Риме с его огромным неармированным бетонным куполом до сих пор поражает инженеров своей прочностью и долговечностью. Ученые наконец раскрыли секрет, который позволил древнеримскому бетону пережить тысячелетия, и это открытие может изменить современное строительство.
Не просто вулканический пепел
Традиционно считалось, что секрет римского бетона кроется в использовании пуцоланы – вулканического пепла из итальянского города Поццуоли – и гашеной извести. Эта смесь при смешивании с водой образовывала чрезвычайно прочный материал. Однако исследование 2023 года, проведенное международной командой ученых под руководством Массачусетского технологического института (MIT), показало, что дело не только в ингредиентах.
Исследователи тщательно изучили 2000-летние образцы римского бетона с археологического сайта Привернум в Италии. Они заметили небольшие белые кусочки извести, которые ранее считались результатом плохого смешивания. Адмир Масич из MIT отметил: "Идея, что наличие этих известковых комков объяснялось низким качеством контроля, всегда меня беспокоила. Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем детальным рецептам, оптимизированным в течение многих веков, почему бы они так мало заботились об обеспечении хорошо смешанного конечного продукта?"
"Горячее смешивание" – ключ к долговечности
Используя передовые методы анализа, включая сканирующую электронную микроскопию и рентгеновскую спектроскопию, команда обнаружила, что римляне применяли технику "горячего смешивания". Они смешивали негашеную известь (оксид кальция) непосредственно с пуцоланой и водой при чрезвычайно высоких температурах, что приводило к образованию известковых комков.
Эта техника имела двойное преимущество. Во-первых, высокая температура позволяла происходить химическим реакциям, невозможным при использовании только гашеной извести. Во-вторых, повышенная температура значительно сокращала время затвердевания, ускоряя строительство.
Самое удивительное, что эти известковые комки придавали бетону способность к самовосстановлению. Когда в бетоне образуются трещины, вода проникает в известковые комки и реагирует с ними, образуя раствор, богатый кальцием. Этот раствор высыхает и затвердевает как карбонат кальция, "склеивая" трещину и предотвращая ее дальнейшее распространение.
Это объясняет, почему римские морские стены, построенные 2000 лет назад, сохранились невредимыми в течение тысячелетий, несмотря на постоянное воздействие морской воды. По данным Всемирной ассоциации бетона, современный бетон обычно имеет срок службы всего 50-100 лет, тогда как римские сооружения стоят тысячелетиями.
Команда проверила свои выводы, изготовив пуцолановый бетон по древним и современным рецептам с использованием негашеной извести. Они также создали контрольный бетон без негашеной извести и провели испытания на трещины. Бетон с негашеной известью полностью восстановился в течение двух недель, тогда как контрольный бетон остался с трещинами.
Сейчас исследователи работают над коммерциализацией своего бетона как более экологически чистой альтернативы современным вариантам. Производство цемента отвечает за около 8% мировых выбросов углекислого газа, поэтому более долговечный бетон мог бы значительно уменьшить углеродный след строительной отрасли.
"Захватывает мысль о том, как эти более долговечные бетонные формулы могли бы не только продлить срок службы этих материалов, но и улучшить долговечность 3D-печатных бетонных формул", – отметил Масич.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Источник: Sciencealert
