Материаловеды уже много лет работают с археологами и историками, пытаясь раскрыть захватывающие секреты технологий и методов изготовления бетона Римской империи, которые позволили римлянам построить одни из самых долговечных памятников, которые когда-либо видел мир. В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, ученые из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета при содействии специалистов из лабораторий Германии и Швейцарии раскрыли ключевой, по их мнению, факт, объясняющий, почему римский бетон был такого высокого качества.
Содержание
Наследие римской архитектуры
Среди своих величайших достижений древние римляне усовершенствовали искусство строительства в грандиозных масштабах. 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 формулы бетона – тема завораживающая с исторической точки зрения, но с практической точки то, что знали римляне, может помочь улучшить методологию изготовления бетона и сегодня.
В поисках ответов ученые потратили много времени и энергии на изучение римских бетонных конструкций, тщательно анализируя образцы в попытке определить их наиболее важные ингредиенты. В группу экспертов, ответственных за последние результаты, входят профессор гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института Адмир Масич и бывшая аспирантка Линда Сеймур, которые участвовали в эпохальном исследовании 2021 года римской гробницы знатной женщины по имени Цецилия Метелла. Возраст гробницы 2053 года, и она осталась практически неповрежденной, несмотря на огромный промежуток времени.
Масич, Сеймур и другие ученые, участвовавшие в исследовании, обнаружили, что невероятно прочный раствор из гашеной извести и вулканического пепла был основным фактором, который позволил гробнице остаться целой 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 римской технике строительства из бетона, которое помогает объяснить удивительную продолжительность жизни их сооружений. И что интересно, в очередной раз было доказано, что решающую роль сыграл уникальный материал, изготовленный из извести.
Как римляне использовали химию, чтобы произвести самый прочный бетон в истории
Долгое время исследователи были убеждены, что особый вид вулканического пепла, входящего в состав римского бетона, является основной причиной его прочности. Этот вид пепла был известен как пуццолановый пепел, поскольку он образовывался в результате извержений, происходивших вокруг города Поццуоли на берегу Неаполитанского залива. Он широко использовался в строительных проектах по всей Римской империи и был востребован благодаря своему твердому и стойкому химическому составу.
Но ученые выяснили, что причина долговечности римского бетона была не только в вулканическом пепле. В ходе тщательного изучения нескольких образцов исследователи обнаружили, что древние технологии производства бетона включали в себя то, что специалисты называют “ключевыми функциями самовосстановления”.
Под этим термином подразумеваются крошечные, ярко-белые кусочки минерала, известные как “известковые класты” (проще – маленькие кусочки извести), которые в изобилии встречаются в образцах римского бетона.
Ранее считалось, что эти кусочки затвердевшей извести являются плохо перемешанными примесями, которые не играют существенной роли в формуле бетона. Но Адмир Масич всегда скептически относился к такому выводу и решил доказать, что это не так.
“С тех пор как я впервые начал работать с древнеримским бетоном, меня всегда восхищали его особенности”, – объяснил он. “Идея о том, что наличие известковых вкраплений можно объяснить низким контролем качества, всегда меня беспокоила. Если римляне прикладывали столько усилий для создания выдающегося строительного материала, скрупулезно следовали всем подробным рецептам, которые совершенствовались на протяжении многих веков, то почему они не могли в итоге хорошо перемешать конечный продукт? Что-то в этой истории было не так”.
И он оказался прав. Ученые использовали методы визуализации с высоким разрешением и химического картирования, впервые примененные в Массачусетском технологическом институте, чтобы изучить известковые вкрапления на молекулярном уровне. Они обнаружили признаки того, что известковая крошка была подвергнута высокому нагреву, который при воздействии на известняк приводит к образованию вещества, известного сегодня как негашеная известь.
По мнению ученых, негашеная известь была создана специально как дополнительный ингредиент в бетоне и вовсе не являлась признаком низкого контроля качества при изготовлении смеси.
“Горячее смешивание имеет два преимущества”, – отметил Масич. “Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет получить химические реакции, которые невозможны, если использовать только гашеную известь. При высокой температуре образуются соединения, которые иначе не образовались бы. Во-вторых, повышенная температура значительно сокращает время затвердевания и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство”.
В результате процесса горячего смешивания получаемые известковая крошка была довольно хрупкая. Настолько, что когда что-либо вызывало растрескивание бетона, сила передавалась на известковые класты, которые также начинали трескаться. Невероятно, но разрушающиеся известковые камешки вступали в реакцию с водой, проникающей в бетон через трещины, образуя насыщенный кальцием раствор, который затвердевал, заполняя все эти трещины в бетоне, и вступал в реакцию с пуццолановым материалом, придавая блокам дополнительную прочность.
Другими словами, известковая крошка автоматически “лечила” бетон всякий раз, когда силы природы намеревались его разрушить.
Чтобы проверить свои выводы о способности известковых осколков к самовосстановлению, ученые изготовили два образца горячей бетонной смеси – по древнеримской и современной рецептуре. Затем они специально потрескали их и залили через трещины воду, чтобы посмотреть, что произойдет.
Как и было предсказано, не более чем через две недели растрескавшиеся блоки из римского бетона полностью “зажили” и больше не были уязвимы для проникновения воды. А образцы, изготовленные из современных бетонных составов, остались с трещинами и еще больше разрушились бы, если бы подвергались постоянному воздействию воды.
Ученые хотят знать можно ли использовать римский бетон сегодня?
Воодушевленные результатами испытаний, ученые сейчас ищут инвесторов для начала коммерческого использования римского бетона, который имеет явные преимущества перед большинством современных вариантов.
“Задумайтесь о том, как эти более прочные бетонные составы могут увеличить не только срок службы материалов, но и как это может улучшить долговечность бетонных составов для 3D печати”, – сказал Масич.
В исследовательской лаборатории Адмира Масича в Массачусетском технологическом институте материаловеды экспериментируют с новыми составами бетона, которые могут уменьшить влияние производства цемента на глобальный климат (в настоящее время на производство цемента приходится около восьми процентов глобальных выбросов парниковых газов). Масич отмечает, что более долговечный бетон мог бы помочь снизить этот процент, поскольку конструкции из бетонных блоков, которые будут служить так же долго, как римские акведуки, не нуждаются в частом ремонте или замене.
Читайте также: Древнеегипетский бетон, а не каменные блоки