Фото ілюстративне/Вікіпедія
Римський бетон, що має назву opus caementicum, використовували у будівництві величезної кількості монументальних споруд по всьому Римському світу.
Дослідники витратили десятиліття, намагаючись розгадати секрет надміцного будівельного матеріалу, який пережив стихію протягом тисячоліть, а в деяких випадках і в надзвичайно суворих умовах, коли сучасний еквівалент цьому матеріалу розсипався й тріскався лише через кілька десятиліть, пише Heritage Daily.
Раніше вважалося, що ключем до міцності римського бетону було введення пуцоланової золи, природного кремнеземистого або кремнеземно-глиноземистого матеріалу, який реагує з гідроксидом кальцію за наявності води кімнатної температури.
Читайте також: Двері до «потойбічного світу», корабель Кука і таємничий напис: найцікавіші археологічні відкриття 2022 року
У цій реакції утворюються нерозчинні сполуки гідрат силікат кальцію і гідрат алюмінату кальцію, які володіють цементуючими властивостями. Золу розвозили по всій території Римської імперії для будівництва, і її навіть описували як ключовий інгредієнт для бетону в описах сучасних римських архітекторів та істориків.
Уважніше вивчення стародавніх зразків показує білі мінеральні елементи, які називаються «вапняними уламками», які є ще одним ключовим компонентом бетонної суміші.
«Відтоді, як я вперше почав працювати з давньоримським бетоном, я завжди був зачарований цими властивостями», — каже професор цивільної та екологічної інженерії Массачусетського технологічного інституту Адмір Масік. «Їх немає в сучасних бетонних рецептурах, тож чому вони присутні в цих стародавніх матеріалах?»
Використовуючи багатомасштабну візуалізацію з високою роздільною здатністю та методи хімічного картографування, дослідники визначили, що білі вкраплення справді були зроблені з різних форм карбонату кальцію.
Спектроскопічне дослідження показало, що вони утворилися при екстремальних температурах, як і слід було очікувати від екзотермічної реакції, викликаної використанням негашеного вапна замість або на додаток до гашеного вапна в суміші. Команда дійшла висновку, що гаряче змішування насправді було ключем до надміцної природи.
«Переваги гарячого змішування мають два ефекти», — каже Масік. «По-перше, коли весь бетон нагрівається до високих температур, це допускає хімічні процеси, які неможливі, якщо ви використовуєте лише гашене вапно, утворюючи високотемпературні сполуки, які інакше не утворилися б. По-друге, ця підвищена температура значно скорочує час затвердіння та схоплювання, оскільки всі реакції прискорюються, що дозволяє набагато швидше будувати».
Читайте також: Археологи знайшли галілейську садибу віком близько 2100 років, яка «застигла в часі»
Під час процесу гарячого змішування уламки вапна розвивають характерну крихку архітектуру наночастинок, утворюючи легко ламке та реакційноздатне джерело кальцію, яке, як припустила команда, може забезпечити критичну функцію самовідновлення.
Як тільки крихітні тріщини починають утворюватися в бетоні, вони можуть переміщатися переважно через уламки вапна з великою площею поверхні. Потім цей матеріал може реагувати з водою, утворюючи насичений кальцієм розчин, який може перекристалізуватись у вигляді карбонату кальцію та швидко заповнити тріщину, або реагувати з пуцолановими матеріалами для подальшого зміцнення композитного матеріалу. Ці реакції відбуваються спонтанно і тому автоматично загоюють тріщини, перш ніж вони поширяться. Попередня підтримка цієї гіпотези була знайдена шляхом дослідження інших римських зразків бетону, які демонстрували тріщини, заповнені кальцитом.
Щоб довести, що це справді механізм, відповідальний за довговічність римського бетону, команда виготовила зразки гарячого бетону, який включав як стародавні, так і сучасні склади, навмисно зламали їх, а потім пропустили воду через тріщини. Звичайно: протягом двох тижнів тріщини повністю відновилися, і вода більше не могла текти. Ідентичний шматок бетону, зроблений без негашеного вапна, ніколи не відновлювався, і вода просто продовжувала текти через зразок. У результаті цих успішних випробувань команда працює над комерціалізацією цього модифікованого цементного матеріалу.
«Захоплююче думати про те, як ці міцніші бетонні формули можуть збільшити не лише термін служби цих матеріалів, але й як це може підвищити довговічність бетону, надрукованого на 3D-принтері», — каже Масік.
Читайте також: Дослідники реконструювали обличчя «вампіра з Коннектикуту» з поховання XIX сторіччя
Завдяки збільшеному терміну служби та розробці легких бетонних форм, він сподівається, що ці зусилля допоможуть зменшити вплив виробництва цементу на навколишнє середовище, на яке зараз припадає близько 8 відсотків світових викидів парникових газів. Разом з іншими новими формулами, такими як бетон, який може фактично поглинати вуглекислий газ з повітря, що є ще одним поточним напрямком досліджень лабораторії, ці вдосконалення можуть допомогти зменшити глобальний вплив бетону на клімат.
До дослідницької групи входили Джаніл Мара з Массачусетського технологічного інституту, Паоло Сабатіні з DMAT в Італії, Мішель Ді Томмазо з Instituto Meccanica dei Materiali in Switzerland та Джеймс Уівер з Інституту біологічної інженерії Вісса Гарвардського університету. Робота проводилася за сприяння Археологічного музею Приверно в Італії.
Підтримуйте Громадське радіо на Patreon, а також встановлюйте наш додаток:
якщо у вас Android
якщо у вас iOS