Раскрыт секретный рецепт римского бетона, который пережил тысячелетия
Древние римляне прославились как выдающиеся строители, применявшие прочный пуццолановый бетон, — именно благодаря ему такие сооружения, как Пантеон, сохранились до наших дней. Однако в 2023 году исследователи Массачусетского технологического института выяснили, что состав и технология производства римского бетона существенно отличались от того, что ранее предполагали ученые.
Smoking guns — маленькие белые комочки извести, найденные в качественно смешанном бетоне, раньше связывали с плохим перемешиванием или низким качеством материалов. Однако Адмир Масик из Массачусетского технологического института утверждает, что если римляне приложили столь много усилий для создания прочного строительного материала, то почему они не сосредоточились на качественном смешивании? Он полагает, что за этой ситуацией кроется более глубокое объяснение.
Масик и его команда, возглавляемая инженером-строителем Линдой Сеймур из Массачусетского технологического института, провели тщательное исследование образцов римского бетона возрастом 2 тыс. лет, которые были найдены на археологическом объекте Привернум в Италии.
Для более глубокого понимания структуры известковых обломков образцы прошли через различные методы анализа, включая сканирующую электронную микроскопию с высоким разрешением, энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию, порошковую рентгеновскую дифракцию и конфокальную рамановскую визуализацию.
Одним из ключевых вопросов исследования была природа использованной извести. В пуццолановом бетоне обычно применяют гашеную известь. Этот процесс начинается с нагрева известняка до высоких температур. В результате образуется высокореактивное вещество — негашеная известь, или оксид кальция.
При добавлении воды негашеная известь превращается в гашеную, менее реактивную пасту, известную как гидроксид кальция. Считается, что именно эту гашеную известь древние римляне сочетали с пуццоланой для создания прочного бетона.
Исследование, проведенное командой Масика, выявило, что структура известковых обломков в образцах римского бетона не соответствует традиционному процессу использования гашеной извести, как это предполагалось ранее. Вместо этого обнаружены признаки того, что римский бетон, вероятно, изготавливался путем непосредственного смешивания негашеной извести с пуццоланой и водой, и этот процесс происходил при высоких температурах.
«Преимущества горячего смешивания можно разделить на два основных пункта, — говорит Масик. — Во-первых, когда бетон нагревается до высоких температур, появляется возможность использовать химические вещества, которые не сработали бы с обычной гашеной известью. Это позволяет образовываться новым соединениям, которые в других условиях просто не возникли бы. А во-вторых, высокая температура значительно ускоряет процессы затвердевания и схватывания бетона, так как реакции идут быстрее. Это помогает сократить время строительства и сделать его более эффективным».
У этого бетона есть еще одно важное преимущество: его известковые частицы обладают удивительной способностью к самовосстановлению. Когда в бетоне появляются трещины, они в первую очередь влияют на известковые частицы, которые имеют большую площадь поверхности по сравнению с другими компонентами. Когда вода проникает в трещину, она реагирует с известью, образуя раствор, содержащий много кальция. Этот раствор затем высыхает и затвердевает, превращаясь в карбонат кальция, который заполняет трещину и предотвращает ее дальнейшее расширение.
Эти удивительные свойства были замечены на примере бетона из гробницы Цецилии Метеллы, которая была построена 2 тыс. лет назад. В ней трещины были заполнены кальцитом, что свидетельствует о самовосстановлении. Это также может объяснять, почему римский бетон, сооруженный две тысячи лет назад, сохраняется в первозданном состоянии на протяжении многих веков, несмотря на постоянное воздействие океанских волн.
Команда провела испытания, изготовив пуццолановый бетон по древним и современным рецептам, используя негашеную известь. Они также создали контрольную партию бетона без добавления негашеной извести и оценили его устойчивость к растрескиванию.
Результаты показали, что бетон с негашеной известью полностью восстановил свою целостность в течение двух недель после появления трещин, тогда как контрольный образец остался поврежденным. В данный момент команда сосредоточена на коммерциализации своего бетона, надеясь предложить экологически более чистую альтернативу современным бетонам.
