Учёные разгадали секрет римского бетона 2000-летней давности

Наши города разрушаются. На некогда красивых бетонных мостах теперь видна ржавая арматура. Тротуары прогибаются и ломаются под ногами, даже если они не такие уж старые. Всего за несколько десятилетий наши бетонные города уже рушатся.

Но древнеримский бетон продолжает оставаться прочным после тысячелетий непогоды, волн и износа. Такие сооружения, как Пантеон в Риме, всё ещё крепки; несмотря на многовековые удары волн, морские римские бетонные опоры становятся всё более прочными с каждым днём. Какой гениальный секрет скрывается в рецепте римского бетона!

В чём может быть секрет этого древнего материала?

Если коротко, то мы не знаем. Их рецепты были утеряны. Всё, что у нас есть, — это сами бетоны и несколько строк, дошедших до нас из древности. Среди них слова римского энциклопедиста Плиния, который описал, как их подводные сооружения становятся «единой каменной массой, неприступной для волн и с каждым днём всё более крепкой».

Разрушающийся мост в городах Северной Америки. (David P.Lewis/Shutterstock)

Их рецепты были утеряны со временем, однако современные учёные недавно добились успехов в попытке реконструировать эти древние рецептуры бетона.

Во-первых, в 2017 году геолог из Университета Юты Мари Джексон обнаружила, что смешивание морской воды с вулканическим пеплом, известью и другими соединениями приводит к результату, поразительно похожему на то, что описал Плиний. Морская вода, попадая в бетон, вызывает рост взаимосвязанных минералов, которые постоянно и непрерывно укрепляют его связность. Морская вода? Кто бы мог подумать?

Совсем недавно, в 2023 году, учёные совершили ещё один прорыв в поисках реконструировать римский бетон.

Команда под руководством Линды Сеймур, исследователя гражданского строительства из Массачусетского технологического института, обнаружила, что бросающиеся в глаза ярко-белые «комочки» извести в римском бетоне были не просто результатом «недостаточного перемешивания раствора» со стороны римлян. В отличие от комочков неразмешанной муки в говяжьем рагу, эти комочки извести играют полезную роль, придавая римскому бетону долговечность и свойства самовосстановления.

Они собрали образцы раствора из разрушенных 2000-летних стен Привернума недалеко от Рима и провели их элементный анализ с помощью спектроскопии и электронной микроскопии.

(Слева) Образцы для анализа были взяты с археологического участка Привернум, недалеко от Рима, Италия; (Справа) Образцы архитектурного раствора были взяты с граничащей бетонной городской стены. (Courtesyof RobertoScalesseandGianfrancoQuarantaviaAdmirMasic)

(Слева) Карта элементов SEM-EDS полированного участка стены из Привернума на большой площади (ширина изображения 5 мм); (Справа вверху) Картирование поверхности трещины с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) на большой площади показывает богатые кальцием (красный), алюминием (синий), кремнием (зелёный) и серой (жёлтый) области раствора; (Внизу справа) Дальнейшая визуализация полированных поперечных сечений показывает агрегатные реликтовые известковые обломки внутри раствора (крупные красные элементы, обозначенные звёздочками). Цветные стрелки обозначают кольца, граничащие с порами, видимые в данных EDS, богатые кальцием (красный) или серой (жёлтый), которые увеличены справа, чтобы показать дополнительные детали. (Courtesyof Linda M.Seymour, JanilleMaragh, PaoloSabatini, MichelDi Tommaso, James C. Weaver, andAdmirMasic)

Исходя из полученных результатов, исследователи предположили, что по мере проникновения воды в бетон, известковые карманы, называемые обломками или остатками извести, которые сохраняются в заполнителе на всём протяжении, заставляют бетон снова стать реактивным. Это приводит к появлению встроенного в бетон долгосрочного механизма заполнения трещин.

Было установлено, что, помимо добавления морской воды, римляне либо не использовали современную «гашёную известь» (известь, предварительно смешанную с водой), либо использовали её в дополнение к методу «горячего смешивания» крупной негашёной извести, а не порошка или пасты, для приготовления бетона. Последнее дополнение стало прозрением и причиной существования самовосстанавливающихся известковых комков.

Вдохновлённые этими открытиями, они разработали новые составы и протестировали их. После изготовления цилиндрических образцов, когда они затвердели, их разломали вдоль и подвергли постоянному воздействию потока воды в течение 30 дней. В конце концов было обнаружено, что трещины самовосстановились, то есть самозажили.

Эксперименты по самозаживлению современного строительного раствора: После отливки образцы горячего бетона, изготовленные по римскому образцу, подвергались механическому разрушению, а затем повторному соединению (с зазором 0,5 ± 0,1 мм) и предварительному кондиционированию для исследования самозаживления трещин (A). С помощью встроенного контура потока (B) поток воды через образец в течение 30 дней регистрировался расходомером. По сравнению с контрольным образцом без известковых комочков (оранжевая линия), через 30 дней поток воды через образец, содержащий известковые комочки (синяя линия), прекратился ©, а исследование поверхности трещины показало, что она была полностью заполнена вновь выпавшей минеральной фазой (D и E), которая была идентифицирована как кальцит по результатам измерений спектроскопии комбинационного рассеяния света (F).(Courtesyof Linda M.Seymour, JanilleMaragh, PaoloSabatini, MichelDi Tommaso, James C. Weaver, andAdmirMasic)

При растрескивании вода может проникать внутрь, перенося обогащённый кальцием раствор в сеть пор для заживления повреждений (процесс 1). (Courtesyof Linda M.Seymour, JanilleMaragh, PaoloSabatini, MichelDi Tommaso, James C. Weaver, andAdmirMasic)

В своём исследовании, опубликованном в журнале ScienceAdvances, они пишут:

«Независимо от того, произойдёт ли повреждение в течение нескольких лет после строительства или спустя столетия, до тех пор, пока остаются известковые комочки, эти самовосстанавливающиеся функции могут сохраняться».

Они добавили, что полученные результаты имеют «далеко идущие последствия для увеличения проектного срока службы бетона и долговечности».

Только представьте: бетонные мосты, которые простоят века или даже тысячелетия. Тротуары, которые простоят всю жизнь и дольше. Фундаменты, не подверженные растрескиванию. Римская технология может абсолютно точно изменить ситуацию в гражданском строительстве. Кто бы мог подумать?

Вдохновлённые этими заманчивыми возможностями, они отметили, что будущие исследования могут изучить, как этот «механизм самовосстановления может быть реализован в современной инфраструктуре, как для армированного бетона, так и для неармированного». Это может даже включать 3D-печать бетона, объединяя передовые технологии с мудростью древнего прошлого.

Майкл Винг — писатель и редактор, живущий в Калгари, Канада, где он родился и получил художественное образование. Он пишет в основном о культуре и актуальных новостях.

Vk Telegram Facebook Twittern Od Email

Поддержите нас!

Каждый день наш проект старается радовать вас качественным и интересным контентом. Поддержите нас любой суммой денег удобным вам способом!

Поддержать