Секрет міцності давньоримського бетону ⁠⁠

Стародавні римляни були неперевершеними майстрами багато в чому, зокрема – будівництві та інженерії. Найбільш відомими їх витворами можна назвати акведуки – древні водоводи.


Найвищий давньоримський акведук Пон-дю-Гар, що зберігся.

Ці споруди засновані на унікальному будівельному матеріалі: неймовірно міцному пуцолановому цементі, який надавав спорудам довговічність.

Одна з великих споруд римлян – Пантеон, або «Храм усіх богів», побудований між 118 і 128 роками нашої ери, – збереглася до наших днів і, крім цього, є рекордсменом за величиною купола з неармованого (тобто не укріпленого каркасом) бетону усьому світі.


Купол Пантеону

Незвичайні властивості «римського бетону» зазвичай приписуються його інгредієнтам. По-перше, зазвичай це пуццолан – суміш вулканічного попелу, пемзи та туфу, названа на честь італійського міста Поццуолі, де можна знайти її багате родовище. Другий інгредієнт – вапно. При змішуванні з водою ці два матеріали можуть утворити міцний цемент.

Але це, як виявилось, не вся розгадка. Міжнародна група дослідників на чолі з Массачусетським технологічним інститутом (MIT) виявила, що не тільки матеріали, які використовували римляни, мали унікальні властивості, а й методи їх змішування помітно відрізнялися від сучасних способів створення цементу. Вчені загострили увагу на вкрапленнях вапна, які виявлялися в, начебто, добре перемішаному матеріалі.



Масик та його команда ретельно вивчили 2000-річні зразки римського бетону з археологічних розкопок Привернум в Італії. Ці зразки були піддані таким тестам як скануюча електронна мікроскопія великої площі, енергодисперсійна рентгенівська спектроскопія, рентгенівська порошкова дифракція та конфокальна раманівська візуалізація.

Гашене вапно вважалося одним з головних інгредієнтів пуцоланового цементу. Вважалося, що вапняк нагрівають при високих температурах для отримання високої концентрації їдкого порошку, званого негашеним вапном, або оксидом кальцію. При змішуванні негашеного вапна з водою виходить гашене вапно, або гідроксид кальцію: трохи менш реактивна і менш їдка паста. Згідно з теорією дослідників, саме це гашене вапно древні римляни змішували з пуццоланом.

Але, згідно з новими висновками, уламки вапна у зразках не відповідають цьому методу. Швидше за все, «римський бетон» виготовляли шляхом змішування негашеного вапна безпосередньо з пуццоланом і водою при надзвичайно високих температурах, окремо або на додаток до гашеного вапна. Цей процес дослідники назвали «гарячим змішуванням», у результаті якого й утворюються уламки вапна.

Як виявилося, такий спосіб має чимало переваг. Наприклад, уламки вапна надають цементу чудової здатності до самовідновлення.

Коли в бетоні утворюються тріщини, вони переміщаються до уламків вапна, які мають більшу площу поверхні, ніж інші частинки в матриці. Коли вода потрапляє в тріщину, вона вступає в реакцію саме з вапном, утворюючи розчин, багатий на кальцій, який висихає і твердне у вигляді карбонату кальцію, склеюючи тріщину і запобігаючи її подальшому поширенню.

Аналогічний процес було помічено біля бетону з гробниці Цецилії Метелли, де тріщини були заповнені кальцитом. Це також може пояснити, чому римський бетон із морських гребель, побудованих 2000 років тому, зберігався цілим протягом тисячоліть, незважаючи на постійний вплив океану.

Вчені підтвердили свої висновки, виготовивши пуцолановий цемент за старовинними та сучасними рецептами з використанням негашеного вапна. Вони також зробили контрольний зразок без негашеного вапна та провели випробування на тріщиноутворення. Справді, бетон, що тріснув, з негашеного вапна повністю «зажив» протягом двох тижнів, але контрольний бетон залишився поцяткований тріщинами.

Наразі команда працює над комерціалізацією свого методу як екологічно чистішої альтернативи існуючим будівельним матеріалам.

---

© знайдено в мережі