Най-накрая знаем как древният римски бетон е успял да издържи хиляди години: ScienceAlert

Древните римляни са били майстори на строителството и инженерството, може би най-забележително представени от акведуктите. Тези все още функциониращи чудеса разчитат на уникален строителен материал: пуцоланов бетон, удивително издръжлив бетон, който придава невероятната здравина на римските структури.

Дори днес една от сградите им – Пантеонът, все още непокътнат и на близо 2000 години – държи рекорда за най-големия купол от неармиран бетон в света.

Свойствата на този бетон обикновено се приписват на неговите съставки: пуцолана, смес от вулканична пепел – кръстена на италианския град Поцуоли, където могат да бъдат открити големи залежи от нея – и Лайм. Когато се смесят с вода, двата материала могат да реагират, за да произведат здрав бетон.

Но, както се оказва, това не е цялата история. И през 2023 г. международен екип от изследователи, ръководен от Масачузетския технологичен институт (MIT), установи, че не само материалите са малко по-различни, отколкото си мислехме, но и техниките, използвани за смесването им, също са различни.

Димящите оръжия бяха малки бели парчета вар, които можеха да бъдат намерени в нещо, което изглеждаше като добре смесен бетон. Наличието на тези парчета преди това се приписваше на лошо смесване или материали, но това нямаше смисъл за учения по материали Адмир Масек от MIT.

„Идеята, че наличието на тези варовикови блокове се дължи просто на лош контрол на качеството, винаги ме е притеснявала.“ – каза Мачек Още през януари 2023 г.

„Ако римляните са положили толкова много усилия да направят първокласен строителен материал, следвайки всички подробни рецепти, които са били усъвършенствани в продължение на много векове, защо са положили толкова малко усилия, за да осигурят получаването на добре смесен краен продукт? Трябва да има повече към тази история.“

Мачек и екипът, ръководен от строителния инженер от Масачузетския технологичен институт Линда Сиймор, проучи 2000-годишни римски бетонни проби от археологическия обект Perevernum в Италия. Тези проби бяха подложени на сканираща електронна микроскопия с голяма площ, енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия, прахова рентгенова дифракция и конфокално Раманово изображение, за да се получи по-добро разбиране на варовитите маси.

Един от въпросите в ума ми беше естеството на използваната вар. Стандартното разбиране за пуцоланов бетон е, че се използва Хидратирана вар. Първо, варовикът се нагрява при високи температури, за да се получи силно реактивен разяждащ прах, наречен варовик Негасена варИли калциев оксид.

Смесването на негасена вар с вода произвежда гасена вар или калциев хидроксид: по-малко реактивна и по-малко разяждаща паста. Според теорията именно тази хидратирана вар древните римляни са смесвали с пуцолан.

Въз основа на анализа на екипа варовите блокове, намерени в техните проби, не са в съответствие с този метод. Като алтернатива, римският бетон може да е бил направен чрез смесване на негасена вар директно с пуцолан и вода при изключително високи температури, самостоятелно или в допълнение към хидратирана вар, процес, който екипът нарича „горещо смесване“, който произвежда варовикови трохи.

„Ползите от горещото смесване са двойни.“ – каза Мачек.

„Първо, когато агрегатният бетон се нагрява до високи температури, това позволява да се осъществят химикали, които не са възможни, ако използвате само хидратна вар, създавайки високотемпературни свързани съединения, които не могат да се образуват по друг начин. Второ, тази повишена температура драстично намалява втвърдяването и времена за втвърдяване, тъй като всички реакции се ускоряват, което позволява много по-бързо строителство.

Той има и друго предимство: варовата трохичка придава на бетона забележителна способност за самовъзстановяване.

Когато се образуват пукнатини в бетона, те за предпочитане се преместват във варови блокове, които имат по-голяма повърхност от другите частици в матрицата. Когато водата навлезе в пукнатината, тя реагира с варовика, за да образува разтвор, богат на калций, който изсъхва и се втвърдява като калциев карбонат, слепвайки пукнатината обратно и предотвратявайки по-нататъшното й разпространение.

това Забелязано е В бетон от друг обект на 2000 години, гробницата на Сесилия Метела, където пукнатини в бетона са запълнени с калцит. Това може също да обясни защо римският бетон от морските стени, построени преди 2000 години, е останал непокътнат в продължение на хиляди години въпреки непрекъснатото блъскане на океаните.

И така, екипът тества своите открития, като направи пуцоланов бетон по древни и съвременни рецепти, използвайки негасена вар. Те също направиха контролен бетон без негасена вар и извършиха тестове за напукване. Разбира се, напуканият варовиков бетон беше напълно втвърден в рамките на две седмици, но контролният бетон остана напукан.

Сега екипът работи за пускането на пазара на техния бетон като по-екологична алтернатива на настоящия бетон.

„Вълнуващо е да се мисли за това как тези по-издръжливи бетонни композиции могат да увеличат не само експлоатационния живот на тези материали, но и как могат да подобрят издръжливостта на 3D отпечатаните бетонни композиции.“ – каза Мачек.

Изследването е публикувано в Напредък на науката.

Версия на тази статия е публикувана за първи път през януари 2023 г.