Римские здания из неармированного бетона невероятно прочны. Многие из них пережили два тысячелетия почти в полной сохранности. Исследователи потратили десятилетия на то, чтобы понять, что делает этот древний строительный материал таким прочным. Благодаря новым исследованиям, они наконец-то раскрыли секрет того, как изготавливается этот древний бетон и как он может восстанавливать себя.
Знаменитый Пантеон Рима, построенный в I веке до н.э., увенчан самым большим в мире куполом из неармированного бетона. Он остался практически неповрежденным и до сих пор не имеет структурных недостатков. Кроме того, некоторые акведуки, построенные еще во времена Римской империи, до сих пор снабжают Рим водой. Прочность этих зданий и сооружений в различных климатических условиях, сейсмических зонах и даже при непосредственном контакте с морской водой всегда поражала ученых. Современные растворы и бетоны не обладают такой прочностью.
Долгое время эксперты предполагали, что своей чрезвычайной прочностью древний бетон обязан одному ингредиенту: пуццолану - названному в честь итальянского города Поццуоли - природной породе, состоящей из вулканического пепла, в который добавляли известь и воду для образования гидратов цемента. Архитекторы и историки того времени описывают пуццолановые материалы как ключевые ингредиенты бетона. При более тщательном изучении образцов бетонной стены римской эпохи исследователи Массачусетского технологического института заметили и другие удивительные особенности.
Более реактивный процесс получения негашеной извести
Римский бетон содержит несколько фрагментов белых, блестящих минералов, называемых "известковыми обломками", которые не встречаются в современном бетоне. До сих пор эксперты считали, что эти известковые агрегаты - результат небрежного смешивания или некачественного сырья. Теория, которая так и не убедила Адмира Масича, профессора гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института: "Если римляне приложили столько усилий для изготовления исключительного строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые были оптимизированы на протяжении многих веков, почему они приложили так мало усилий для обеспечения производства хорошо перемешанного конечного продукта?"
Используя методы визуализации с высоким разрешением и химического картирования, Масич и его команда обнаружили еще одну потенциальную функцию этих известковых глыб. До сих пор считалось, что известь - оксид кальция с формулой CaO - входит в состав римского бетона в виде гашеной извести: известняк нагревают при высоких температурах для получения высокореактивного едкого порошка, называемого негашеной известью, который затем смешивают с водой для получения гашеной извести (или гидроксида кальция).
Карта элементов (кальций: красный, кремний: синий, алюминий: зеленый) 2-сантиметрового фрагмента древнеримского бетона, собранного на археологическом участке Привернум, Италия (слева). В нижней части фрагмента отчетливо видна богатая кальцием известковая глыба, ответственная за самовосстанавливающиеся свойства этого древнего материала.
Но сам по себе этот процесс не может объяснить присутствие известковых обломков. Фрагменты состояли из различных форм карбоната кальция, и спектроскопический анализ показал, что они должны были образоваться при экстремальных температурах. Это привело исследователей к предположению, что римляне могли использовать известь в ее наиболее реактивной форме, а именно негашеную известь - процесс, известный как "горячее смешивание".
Как объясняет Масич, этот метод имеет ряд преимуществ. Начнем с того, что высокие температуры при использовании негашеной извести необходимы для определенных химических реакций; кроме того, они значительно сокращают время затвердевания и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство.
Самовосстанавливающиеся трещины
Но это еще не все! Горячее перемешивание позволяет известковым глыбам принять относительно хрупкую архитектуру наночастиц, поэтому они легко разрушаются, обеспечивая почти постоянный запас кальция: это ключ к самовосстанавливающейся способности данного бетона.
В процессе горячего смешивания богатые кальцием известковые частицы заключаются в цементную матрицу, которая в конечном итоге подвергается карбонизации. Во время растрескивания вода может просачиваться внутрь, неся обогащенный кальцием раствор в сеть пор для восстановления повреждений (процесс 1) или служить в качестве реактивного кальция для постпуццолановых реакций, которые еще больше укрепляют материал (процесс 2).
Если начинают образовываться трещины, они преимущественно проходят через обломки извести, площадь поверхности которых относительно больше, чем у других компонентов. Затем, когда вода попадает в эти трещины, она вступает в реакцию с известью, создавая раствор, насыщенный кальцием, который может перекристаллизоваться в карбонат кальция и тем самым быстро заполнить трещину, или реагировать с пуццолановыми материалами для дальнейшего упрочнения композитного материала. Эти реакции происходят спонтанно и, следовательно, автоматически восстанавливают трещины до того, как они распространятся дальше.
Анализ различных образцов бетона, взятых из археологических раскопок, действительно показал, что они содержат древние трещины, заполненные кальцитом.
Исследователи проверили эту гипотезу, самостоятельно изготовив различные образцы бетона на основе негашеной извести: одни следовали римской рецептуре, другие - современной. Затем они намеренно раскололи эти куски бетона, прежде чем ввести в промежутки воду. Они обнаружили, что через две недели трещины были полностью заблокированы, так что вода не могла протекать через них. Этого не произошло с образцом контрольного бетона, изготовленного без негашеной извести.
Сейчас команда работает над коммерциализацией этого модифицированного цементного материала. Повышение долговечности бетона за счет включения таких самовосстанавливающихся свойств позволит снизить углеродный след цемента, на долю которого в настоящее время приходится до 8% от общего объема глобальных выбросов парниковых газов.
