Стародавні римляни були майстрами будівництва та інженерії, мабуть, найвідомішим представником яких були акведуки. І ці все ще функціональні чудеса спираються на унікальний будівельний матеріал: пуцолановий бетон, неймовірно міцний бетон, який надавав римським спорудам неймовірну міцність.
Навіть сьогодні одна з їхніх споруд – Пантеон, досі неушкоджений і віком майже 2000 років – тримає рекорд найбільшого у світі купола з неармованого бетону.
Властивості цього бетону, як правило, пов’язують із його інгредієнтами: пуццоланою, сумішшю вулканічного попелу – названого на честь італійського міста Поццуолі, де можна знайти значні поклади – та вапна . При змішуванні з водою ці два матеріали можуть реагувати з утворенням міцного бетону.
Але це, як виявилося, ще не вся історія. Міжнародна група дослідників на чолі з Массачусетським технологічним інститутом (MIT) виявила, що не тільки матеріали дещо відрізняються від того, про що ми думали, але й методи їх змішування також відрізняються.
Димлячі гармати були невеликими білими шматочками вапна, які можна знайти в тому, що інакше здається добре замішаним бетоном. Наявність цих шматочків раніше пояснювали поганим змішуванням або матеріалами, але це не мало сенсу для матеріалознавця Адміра Масіка з MIT.
«Ідея про те, що наявність цих уламків вапна була просто пов’язана з низьким контролем якості, мене завжди непокоїла», — каже Масич .
«Якщо римляни доклали стільки зусиль, щоб створити видатний будівельний матеріал, дотримуючись усіх детальних рецептів, які були оптимізовані протягом багатьох століть, чому вони доклали так мало зусиль для забезпечення виробництва добре змішаного кінцевого продукту. «У цій історії має бути щось більше».
Масік і команда на чолі з інженером-будівельником Массачусетського технологічного інституту Ліндою Сеймур уважно вивчили 2000-річні зразки римського бетону з археологічного місця Прівернум в Італії. Ці зразки були піддані скануючій електронній мікроскопії великої площі та енергодисперсійній рентгенівській спектроскопії, порошковій рентгенівській дифракції та конфокальному раманівському зображенню, щоб отримати краще розуміння уламків вапна.
Одним із запитань, які розглядалися, була природа використовуваного вапна. Стандартне розуміння пуцоланового бетону полягає в тому, що він використовує гашене вапно . По-перше, вапняк нагрівають при високих температурах для отримання високоактивного їдкого порошку під назвою негашене вапно або оксид кальцію.
Змішування негашеного вапна з водою дає гашене вапно, або гідроксид кальцію: дещо менш реакційну, менш їдку пасту. Відповідно до теорії, саме це гашене вапно стародавні римляни змішували з пуцоланою.
Виходячи з аналізу, проведеного командою, уламки вапна в їхніх зразках не відповідають цьому методу. Навпаки, римський бетон виготовляли шляхом змішування негашеного вапна безпосередньо з пуццоланою та водою при надзвичайно високих температурах, окремо або на додаток до гашеного вапна, процес, який команда називає «гарячим змішуванням», що призводить до утворення уламків вапна.
«Переваги гарячого змішування подвійні», — каже Масік .
«По-перше, коли загальний 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 зменшує твердіння та схоплювання разів, оскільки всі реакції прискорюються, що дозволяє набагато швидше будувати».
І це має ще одну перевагу: уламки вапна дають бетону чудову здатність до самовідновлення.
Коли в бетоні утворюються тріщини, вони переважно переміщаються до уламків вапна, які мають більшу площу поверхні, ніж інші частинки в матриці. Коли вода потрапляє в тріщину, вона реагує з вапном, утворюючи розчин, багатий кальцієм, який висихає і твердне у вигляді карбонату кальцію, склеюючи тріщину і запобігаючи її подальшому поширенню.
Це спостерігалося в бетоні з іншої 2000-річної пам’ятки, гробниці Цецилії Метелли, де тріщини в бетоні були заповнені кальцитом. Це також може пояснити, чому римський бетон із морських стінок, побудованих 2000 років тому, зберігся неушкодженим протягом тисячоліть, попри постійні удари океану.
Отже, команда перевірила свої висновки, виготовивши пуцолановий бетон за старовинними та сучасними рецептами з використанням негашеного вапна. Вони також зробили контрольний бетон без негашеного вапна та провели випробування на розтріскування. Звичайно, тріснутий вапняний бетон був повністю загоєний протягом двох тижнів, але контрольний бетон залишився з тріщинами.
Зараз команда працює над комерціалізації свого бетону як більш екологічної альтернативи поточному бетону.
«Захоплююче думати про те, як ці міцніші бетонні склади можуть збільшити не лише термін служби цих матеріалів, але й як це може підвищити довговічність бетонних складів, надрукованих на 3D- друкі», — каже Масік .