Новости

Dec 02, 2023

Мы наконец знаем, почему древнеримский бетон выдержал испытание временем

Древние римляне были искусными строителями и инженерами, наиболее известными из которых, пожалуй, являются до сих пор функционирующие акведуки. И эти архитектурные чудеса основаны на уникальном строительном материале:

Древние римляне были искусными строителями и инженерами, наиболее известными из которых, пожалуй, являются до сих пор функционирующие акведуки. И эти архитектурные чудеса основаны на уникальном строительном материале: пуццолановом бетоне, чрезвычайно прочном материале, который придавал римским постройкам невероятную прочность.

Даже сегодня одно из их сооружений – Пантеон, сохранившийся до сих пор нетронутым и которому почти 2000 лет, – является рекордсменом по величине в мире купола из неармированного бетона.

Свойства этого бетона обычно приписывают его ингредиентам: пуццолану, смеси вулканического пепла, названному в честь итальянского города Поццуоли, где находятся значительные его залежи, и извести. При смешивании с водой эти два материала могут вступить в реакцию с образованием прочного бетона.

Но это, как оказалось, еще не вся история. Международная группа исследователей под руководством Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила, что не только материалы немного отличаются от того, о чем мы могли подумать, но и методы, используемые для их смешивания, также были другими.

Дымящимися пушками были маленькие белые куски извести, которые можно было найти в бетоне, который в остальном казался хорошо перемешанным. Присутствие этих кусков ранее приписывалось плохому смешиванию материалов, но это не имело смысла для ученого-материаловеда Адмира Масича из Массачусетского технологического института.

«Меня всегда беспокоила мысль о том, что присутствие этих обломков извести просто объясняется низким контролем качества», — сказал Масик в заявлении от января 2023 года.

«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».

Масик и его команда под руководством инженера-строителя Массачусетского технологического института Линды Сеймур тщательно изучили образцы римского бетона возрастом 2000 лет из археологических раскопок Привернума в Италии. Эти образцы были подвергнуты сканирующей электронной микроскопии большой площади и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции и конфокальной рамановской визуализации, чтобы лучше понять известковые класты.

Одним из вопросов, который имелся в виду, был характер используемой извести. Стандартное понимание пуццоланового бетона заключается в том, что в нем используется гашеная известь. Во-первых, известняк нагревают при высоких температурах для получения высокореактивного каустического порошка, называемого негашеной известью или оксидом кальция.

При смешивании негашеной извести с водой образуется гашеная известь или гидроксид кальция: немного менее реакционноспособная и менее едкая паста. По теории, именно гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланом.

Согласно анализу команды, известковые обломки в их образцах не соответствуют этому методу. Скорее всего, римский бетон, вероятно, был изготовлен путем смешивания негашеной извести непосредственно с пуццоланой и водой при чрезвычайно высоких температурах, отдельно или в дополнение к гашеной извести, процесс, который команда называет «горячим смешиванием», в результате которого образуются известковые обломки.

«Преимущества горячего смешивания двоякие», — сказал Мэсик.

«Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это приводит к химическим процессам, которые невозможны, если бы вы использовали только гашеную известь, образуя соединения, связанные с высокой температурой, которые в противном случае не образовались бы. Во-вторых, эта повышенная температура значительно снижает отверждение и схватывание. раз, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство».

И у этого есть еще одно преимущество: известковые частицы придают бетону замечательные способности к самовосстановлению.

Когда в бетоне образуются трещины, они преимущественно перемещаются к известковым частицам, которые имеют большую площадь поверхности, чем другие частицы в матрице. Когда вода попадает в трещину, она вступает в реакцию с известью, образуя раствор, богатый кальцием, который высыхает и затвердевает в виде карбоната кальция, склеивая трещину и предотвращая ее дальнейшее распространение.