Таємниця стійкості давньоримського бетону нарешті розкрита

Стародавні римляни були майстерними будівельниками та інженерами, чи не найвідомішим здобутком яких є досі функціонуючі акведуки. І ці архітектурні дива спираються на унікальний будівельний матеріал: пуццолановий бетон – надзвичайно міцний матеріал, який надав римським спорудам неймовірної міцності.

Навіть сьогодні одна з їхніх споруд – Пантеон, якому майже 2 000 років і який досі не зруйнований, є рекордсменом з найбільшого у світі купола з неармованого бетону.

Властивості цього бетону зазвичай приписують його інгредієнтам: пуццолану, суміші вулканічного попелу – названого на честь італійського міста Поццуолі, де знаходиться значне його родовище – і вапна. При змішуванні з водою ці два матеріали вступають у реакцію, утворюючи міцний бетон.

Але це, як виявляється, ще не вся історія. Міжнародна група дослідників на чолі з Массачусетським технологічним інститутом (MIT) виявила, що не тільки матеріали дещо відрізняються від того, що ми могли б подумати, але й методи, які використовуються для їх змішування, також відрізняються.

Доказом були маленькі білі шматочки вапна, які можна було знайти в бетоні, що здавався добре перемішаним. Присутність цих шматочків раніше пояснювали поганим змішуванням або матеріалами, але це не мало сенсу для матеріалознавця Адміра Масіча з Массачусетського технологічного інституту (MIT).

“Думка про те, що наявність цих вапняних кластерів просто пояснюється низьким контролем якості, завжди турбувала мене”, – сказав Масіч у своїй заяві в січні 2023 року.

“Якщо римляни доклали стільки зусиль для створення видатного будівельного матеріалу, дотримуючись усіх детальних рецептів, які оптимізувалися протягом багатьох століть, чому вони доклали так мало зусиль для забезпечення виробництва добре змішаного кінцевого продукту? У цій історії має бути щось більше”.

Масіч і команда під керівництвом інженера-будівельника з Массачусетського технологічного інституту Лінди Сеймур ретельно вивчили 2000-річні зразки римського бетону з археологічних розкопок в італійському місті Привернум. Ці зразки були піддані скануючій електронній мікроскопії великої площі та енергодисперсійній рентгенівській спектроскопії, порошковій рентгенівській дифракції та конфокальній раманівській візуалізації, щоб краще зрозуміти вапняні класти.

Одне з питань, яке ми мали на увазі, полягало в природі використаного вапна. Стандартне розуміння пуцоланового бетону полягає в тому, що в ньому використовується гашене вапно. Спочатку вапняк нагрівають при високих температурах, щоб отримати високореактивний їдкий порошок, який називається негашене вапно, або оксид кальцію.

Змішуючи негашене вапно з водою, отримують гашене вапно, або гідроксид кальцію: трохи менш реакційноздатну, менш їдку пасту. Згідно з теорією, саме це гашене вапно стародавні римляни змішували з пуццоланою.

На основі аналізу, проведеного командою, вапняні класти в їхніх зразках не узгоджуються з цим методом. Скоріше за все, римський бетон виготовлявся шляхом змішування негашеного вапна безпосередньо з пуццоланом і водою при надзвичайно високих температурах, самостійно або на додаток до гашеного вапна – процес, який команда називає “гарячим змішуванням”, що призводить до утворення вапняних пластівців.

“Переваги гарячого змішування є подвійними, – каже Масіч.

“По-перше, коли весь бетон нагрівається до високих температур, це дозволяє здійснювати хімічні реакції, які були б неможливі, якби ви використовували лише гашене вапно, утворюючи високотемпературні сполуки, які в іншому випадку не утворилися б. По-друге, ця підвищена температура значно скорочує час затвердіння і схоплювання, оскільки всі реакції прискорюються, що дозволяє значно пришвидшити будівництво”.

І це має ще одну перевагу: вапняна крихта надає бетону чудову здатність до самовідновлення.

Коли в бетоні утворюються тріщини, вони переважно поширюються до вапняної крихти, яка має більшу площу поверхні, ніж інші частинки в матриці. Коли вода потрапляє в тріщину, вона реагує з вапном, утворюючи розчин, багатий на кальцій, який висихає і твердне у вигляді карбонату кальцію, склеюючи тріщину і запобігаючи її подальшому поширенню.

Це спостерігалося в бетоні з іншого 2000-річного об’єкта – гробниці Цецилії Метелли, де тріщини в бетоні були заповнені кальцитом. Це також може пояснити, чому римський бетон з морських стін, збудованих 2 000 років тому, залишився неушкодженим протягом тисячоліть, попри постійні удари океану.

Команда перевірила свої висновки, виготовивши пуццолановий бетон за стародавніми та сучасними рецептами з використанням негашеного вапна. Вони також виготовили контрольний бетон без негашеного вапна і провели випробування на тріщини. Звісно, тріщини в бетоні з негашеним вапном повністю зажили протягом двох тижнів, але контрольний бетон так і залишився з тріщинами.

Зараз команда працює над комерціалізацією свого бетону як більш екологічно чистої альтернативи сучасним бетонам.

“Цікаво думати про те, як ці більш міцні бетонні суміші можуть не тільки збільшити термін служби цих матеріалів, але й підвищити довговічність бетонних сумішей, надрукованих на 3D-принтері”, – сказав Масіч.