С одной стороны, о мастерстве древнеримских строителей и инженеров ходят легенды, перерастающие в мифы, но, с другой, — чтобы убедиться в реальности их достижений, достаточно посмотреть на Пантеон, которому почти 2000 лет, а он, будучи по-прежнему нетронутым, до сих пор является рекордсменом по величине купола из неармированного бетона в мире.
Его стойкость приписывают пуццолановому цементу, состав которого прост и довольно давно известен, но загадкой оставалась технология его получения.
Цемент этот состоит из пуццоланы, по сути вулканического пепла из итальянской местности Пуццуоли, расположенной рядом с Неаполем и Везувием, и извести, которые при смешивании с водой вступали в реакцию, образуя прочнейший бетон.
Технологию изготовления пуццоланового цемента считали такой: сначала известняк нагревают при высоких температурах для получения высокореактивного едкого порошка, называемого негашёной известью (оксид кальция).
При смешивании негашеной извести с водой получается гашеная известь (гидроксид кальция): немного менее реакционноспособная и менее едкая паста. Согласно теории, именно эту гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланой.
Загадкой было то, что в итоговом бетоне содержалось множество агломератов (кусочков) извести. Эти кусочки придавали бетону удивительную способность к самовосстановлению.
Когда в бетоне образовывались трещины, они преимущественно распространяются на известковые агломераты, площадь поверхности которых выше, чем у других частиц в составе бетона. Но когда в трещину попадала вода, она вступала в реакцию с известью, образуя раствор, богатый кальцием, который высыхал и затвердевал в виде карбоната кальция, склеивая трещину и предотвращая её дальнейшее распространение. Неплохо для технологии 2000-летней давности, правда?
Вот только до сих пор наличие агломератов списывали на плохой контроль качества при перемешивании, то есть случайность, что так и не смог принять материаловед из Массачусетского технологического института (MIT):
«Меня всегда беспокоила мысль о том, что присутствие этих известковых отложений было связано всего лишь с низким контролем качества. Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, строго следуя рецептуре, которая была оптимизирована на протяжении многих веков, почему они приложили так мало усилий для обеспечения качественного перемешивания конечного продукта?»
Команда, возглавляемая инженером-строителем из того же MIT, тщательно изучила 2000-летние образцы римского бетона с археологических раскопок с помощью современных методов: сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции и конфокальной рамановской визуализации.
Результаты исследований команды говорят о том, что, судя по всему, древнеримский бетон был изготовлен путём смешивания негашеной извести непосредственно с пуццоланой и водой при чрезвычайно высоких температурах, отдельно или в дополнение к гашеной извести. При таком «горячем смешивании» и образуются известковые агломераты. Более того, такой способ производства обладает рядом дополнительных преимуществ:
- Когда весь бетон нагревается до высоких температур, он позволяет проводить химические процессы, которые были бы невозможны, если бы вы использовали только гашеную известь, образуя соединения, связанные с высокой температурой, которые иначе не образовались бы.
- Эта повышенная температура значительно сокращает время отверждения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет столь же значительно ускорить и само строительство.
Проверка и дальнейшее применение
Команда проверила свои выводы, изготовив пуццолановый цемент по древним и современным рецептам с использованием негашеной извести. Они также изготовили контрольный бетон без негашеной извести и провели испытания на трещиностойкость.
Результаты оказались настолько поразительными, что команда нашла им современное применение — 3D-печать сложных бетонных конструкций, включая жилые дома! Разработанные на основе древнеримских бетонные составы оказались более прочными и экологичными.
Как итог, в настоящее время специалисты работают над коммерциализацией своего бетона в качестве альтернативы современным бетонам.
Вот о 3D-печати домов древние римляне точно не думали, а вон оно как вышло.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances.
Чтобы не пропускать новости науки и технологий, подписывайтесь на канал, а также на каналы в Telegram и ВК, ну и делитесь постом с друзьями, которым интересна эта тема.