Почему римский бетон был таким прочным?

Древние римляне были мастерами инженерного дела, строившими обширные сети дорог, акведуков, портов и массивных зданий, остатки которых сохранились на протяжении двух тысячелетий. Многие из этих сооружений были построены из бетона: знаменитый римский Пантеон, который имеет самый большой в мире неармированный бетонный купол и был открыт в 128 году нашей эры, до сих пор не поврежден, а некоторые древнеримские акведуки до сих пор доставляют воду в Рим. Между тем, многие современные бетонные конструкции разрушились через несколько десятилетий.

Исследователи потратили десятилетия, пытаясь разгадать секрет этого сверхпрочного древнего строительного материала, особенно в конструкциях, которые выдерживали особенно суровые условия, таких как доки, канализация и дамбы, или построенные в сейсмически активных местах.

Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и лабораторий в Италии и Швейцарии добилась прогресса в этой области, открыв древние стратегии производства бетона, которые включали в себя несколько ключевых функций самовосстановления.Выводы опубликованыв журнале Science Advances, в статье профессора гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Адмира Масича, бывшей аспирантки Линды Сеймур и еще четырех человек.

В течение многих лет исследователи предполагали, что ключом к долговечности древнего бетона был один ингредиент: пуццолановый материал, такой как вулканический пепел из района Поццуоли в Неаполитанском заливе. Этот особый вид золы даже развозился по всей обширной Римской империи для использования в строительстве, и в отчетах архитекторов и историков того времени он описывался как ключевой ингредиент для бетона.

При более внимательном рассмотрении эти древние образцы также содержат небольшие характерные ярко-белые минеральные элементы миллиметрового масштаба, которые уже давно признаны повсеместным компонентом римских бетонов. Эти белые куски, часто называемые «известковыми кусками», происходят из извести, еще одного ключевого компонента древней бетонной смеси. «С тех пор, как я впервые начал работать с древнеримским бетоном, меня всегда восхищали эти особенности», — говорит Масик. «Их нет в современных бетонных составах, так почему же они присутствуют в этих древних материалах?»

Новое исследование, которое ранее игнорировалось как просто свидетельство небрежной практики смешивания или некачественного сырья, предполагает, что эти крошечные частицы извести придали бетону ранее непризнанную способность к самовосстановлению. «Меня всегда беспокоила мысль о том, что присутствие этих обломков извести просто объясняется низким контролем качества», — говорит Масич. «Если римляне приложили так много усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые оптимизировались в течение многих столетий, почему они приложили так мало усилий для обеспечения производства хорошо перемешанного конечного продукта? «В этой истории должно быть что-то еще».

После дальнейшей характеристики этих известковых кластиков с использованием многомасштабных изображений с высоким разрешением и методов химического картирования, впервые разработанных в исследовательской лаборатории Масика, исследователи получили новое представление о потенциальной функциональности этих известковых кластиков.

Исторически считалось, что когда известь добавлялась в римский бетон, ее сначала смешивали с водой с образованием высокореактивного пастообразного материала в процессе, известном как гашение. Но сам по себе этот процесс не мог объяснить присутствие обломков извести. Масик задавался вопросом: «Возможно ли, что римляне действительно использовали известь в ее более реакционноспособной форме, известной как негашеная известь?»

Изучая образцы этого древнего бетона, он и его команда определили, что белые включения действительно состоят из различных форм карбоната кальция. А спектроскопическое исследование показало, что они образовались при экстремальных температурах, как и следовало ожидать от экзотермической реакции, вызванной использованием негашеной извести вместо или в дополнение к гашеной извести в смеси. Команда пришла к выводу, что горячее смешивание на самом деле было ключом к сверхпрочности.