Ученые раскрыли тайну римского бетона

В рамках нового исследования ученые раскрыли тайну римского бетона, так называемого Opuc caementicium, который использовали при строительстве бесчисленных монументальных зданий по всем римским владениям.

Об этом сообщает Springer Link.

Исследователи на протяжении десятилетий пытались разгадать секрет сверхпрочного строительного материала, который пережил воздействие стихии в течение тысяч лет, а в некоторых случаях и в чрезвычайно суровых условиях. В свою очередь современный аналог портится всего через несколько десятилетий.

До этого считали, то тайна долговечности римского бетона состояла во введении пуццолановой золы, природного кремнистого или кремнисто-глиноземистого материала, который реагирует с гидроксидом кальция в присутствии воды при комнатной температуре. В этой реакции образуются нерастворимые соединения гидрата силиката кальция и гидрата алюмината кальция, обладающие вяжущими свойствами.

Золу развозили по всей Римской империи для строительства, и современные римские архитекторы и историки даже описывали ее как ключевой ингредиент для бетона. Более внимательное изучение древних образцов показывает белые минеральные особенности, называемые «обломками извести», еще одним ключевым компонентом бетонной смеси.

«С тех пор, как я впервые начал работать с древнеримским бетоном, я всегда был очарован этими свойствами. Их нет в современных рецептурах бетона, так почему же они присутствуют в этих древних материалах?», – поделился профессор Массачусетского технологического института по гражданскому строительству и экологии Адмир Масик.

Воспользовавшись многомасштабной визуализацией и с высоким разрешением и методами химического картирования было установлено, что белые включения действительно состоят из различных форм карбоната кальция. 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. Ученые пришли к выводу, что горячее смешивание на самом деле было ключом к сверхпрочной природе.

«Преимущества горячего смешивания двойственны. 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 иначе не образовались бы. Во-вторых, эта повышенная температура значительно сокращает время отверждения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство», – добавил Масик.

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 насыщенный кальцием раствор, 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. Предыдущее подтверждение этой гипотезы было найдено при исследовании других образцов римского бетона, в которых были обнаружены трещины, заполненные кальцитом.

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. Оказалось, что 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 увеличить не только срок службы этих материалов, но и повысить долговечность составов бетона, напечатанных на 3D-принтере», — говорит Масик.

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% 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.

"Курсор" сообщал, что во время раскопок в Израиле обнаружили останки византийского монаха.