Таємниця тисячолітнього бетону Стародавнього Риму

Рецепт бетону, розроблений в Стародавньому Римі, виявився багато в чому кращим, ніж ті, що використовуються зараз. Багато доріг, акведуків, портових причалів і масивних споруд з бетону збереглися до сучасності в досить хорошому стані – деякі акведуки досі постачають воду в Рим.

Найвідомішим прикладом є римський Пантеон: його купол, урочисто відкритий у 128 р. нашої ери – найбільша неармована бетонна споруда у світі – досі неушкоджений. Тим часом багато сучасних бетонних конструкцій вже розвалилися після кількох десятиліть експлуатації.

Таємниця зістареного бетону десятиліттями надихала вчених на дослідження. Особливо дивує довговічність бетонних конструкцій, які піддаються надзвичайно важким умовам – доків, каналізаційних колекторів, хвилерізів або будівель, зведених у сейсмоактивних місцях.

Протягом багатьох років вважалося, що ключовим інгредієнтом унікального римського бетону була пуццолана - дрібнодисперсний попіл вулканічного походження з околиць Поццуолі в Неаполітанській затоці (подібними властивостями володіє зола, отримана з димових газів на теплових електростанціях). Основним інгредієнтом пуццолани є чистий кремнезем у формі дуже дрібних округлих зерен. Важливою особливістю цього дрібнозернистого кремнезему є здатність зв'язувати кальцій. Золу з Поццуолі транспортували як будівельний матеріал по всій Римській імперії. У звітах архітекторів та істориків тієї епохи він описувався як ключовий інгредієнт бетону.

Тепер групі вчених з Массачусетського технологічного інституту (MIT), Гарвардського університету та лабораторій в Італії та Швейцарії вдалося виявити здатність стародавнього бетону самовідновлюватися.

Стародавні зразки бетону містять характерні легкі білі мінеральні частинки, оброблені в міліметри. Ці білі самородки називають «вапняковими уламками» (класт – це англійський термін у геології, що означає шматок старої породи, яка стала частиною нової породи). Білі уламки утворюються з вапна, іншого ключового інгредієнта стародавньої бетонної суміші. «З тих пір, як я почав працювати з давньоримським бетоном, я завжди був зачарований цими характеристиками», – каже проф. Адмір Масич з MIT. – У сучасних рецептах бетону їх немає, то чому вони присутні в цих старовинних матеріалах?

Раніше уламки вапна не вважалися побічним ефектом недбалого замішування бетонної маси або неякісної сировини. Однак нове дослідження показує, що ці крихітні крихти вапняку надають бетону здатність до «самовідновлення», яка раніше не визнавалася.

«Приписування наявності вапняних уламків просто поганому контролю якості завжди мене непокоїло», – сказав Масич. – Якщо римляни доклали стільки зусиль для створення унікального будівельного матеріалу за детальними рецептами, оптимізованими протягом багатьох століть, чому вони доклали так мало зусиль для забезпечення виробництва добре змішаного кінцевого продукту? У цій історії має бути щось більше».

Щоб з’ясувати, що це таке, дослідники використали багатомасштабні зображення з високою роздільною здатністю та методи хімічного картографування, вперше розроблені дослідницькою лабораторією Masica.

Виявилося, що білі вкраплення насправді є різними формами карбонату кальцію. Спектроскопічне дослідження показало, що вони утворилися при екстремальних температурах, швидше за все, це була екзотермічна реакція, спричинена використанням негашеного вапна замість або на додаток до гашеного вапна в суміші. Команда прийшла до висновку, що гаряче змішування насправді є ключем до надзвичайної довговічності.

До цього часу вважалося, що вапно в римському бетоні було гашеним вапном – у процесі, який називається гасінням, негашене вапно, отримане з вапняної печі, заливали водою, що супроводжувалося дуже високою температурою, оскільки це реакція вивільнення енергії. Отриману тістоподібну масу – гашене вапно – додавали до інших інгредієнтів римського бетону.

Однак цей процес не міг пояснити наявність вапнякових уламків. Масич запитав: «Чи могло бути так, що римляни насправді використовували вапно безпосередньо в його більш реактивній формі, відомій як негашене вапно?»

«Переваги гарячого змішування подвійні», – зазначив Масік. – По-перше, коли весь бетон нагрівається до високих температур, це допускає хімічні реакції, які були б неможливі, якби використовувалося лише гашене вапно. При високих температурах утворюються сполуки, які інакше не утворилися б. По-друге, ця підвищена температура значно скорочує час затвердіння та склеювання: усі реакції прискорюються, що дозволяє вам будувати набагато швидше».

Вапняні уламки, що утворюються під час гарячого змішування, утворюють крихкі структури, які легко ламаються, будучи реактивним джерелом кальцію з великою площею поверхні. На думку авторів, це могло б забезпечити бетону функцію «самовідновлення».

Як тільки в бетоні починають утворюватися невеликі тріщини, вони зазвичай проходять через вапняні наповнювачі. Потім цей матеріал реагує з водою з утворенням розчину, насиченого кальцієм, який може перекристалізуватись у вигляді карбонату кальцію та швидко заповнити тріщину, або реагувати з пуццоланою для зміцнення матеріалу.

Ці реакції відбуваються спонтанно і тому автоматично загоюють тріщини до того, як вони поширяться. Раніше тріщини, заповнені кальцитом, спостерігалися в інших зразках римського бетону.

Під час експериментів команда створила зразки гарячого бетону, використовуючи як старовинні, так і сучасні рецепти, розбила їх, а потім пустила воду крізь тріщини. Протягом двох тижнів тріщини повністю «зажили» і вода більше не могла текти. Ідентичний шматок бетону, зроблений без негашеного вапна, ніколи не «заживав», і вода продовжувала протікати через зразок. Зараз автори працюють над комерціалізацією модифікованого цементу.

«Захоплююче думати про те, як ці міцніші бетонні суміші можуть не тільки продовжити термін служби матеріалів, але й як вони можуть підвищити довговічність надрукованих на 3D-принтерах бетонних сумішей», – зазначив Масік.

Завдання вченого полягало б у тому, щоб зменшити вплив виробництва цементу на навколишнє середовище шляхом продовження терміну служби та розробки більш легких бетонних форм (на даний момент воно відповідає за близько 8 відсотків світових викидів парникових газів). Лабораторія Masic також працює над іншими новими продуктами, такими як бетон, який може поглинати вуглекислий газ з повітря.

До дослідницької групи входили Джаніл Мара з Массачусетського технологічного інституту, Паоло Сабатіні з DMAT в Італії, Мішель Ді Томмазо з Інституту Мекканіки матеріалів у Швейцарії та Джеймс Уівер з Інституту біологічної інженерії Вісса Гарвардського університету. Робота (DOI 10.1126/sciadv.add1602) була проведена за допомогою археологічного музею в Приверно, Італія.

Павел Верніцкі (PAP)

Пантеон в Римі. Фото PAP/ M.Білецький

https://dzieje.pl/