Ученые нашли ключ к долговечности древнего римского бетона

Исследователи потратили десятилетия, пытаясь понять, как древние римляне смогли сделать бетон, который сохранился на протяжении двух тысячелетий. «Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и лабораторий в Италии и Швейцарии добилась прогресса в этой области, открыв древние стратегии производства бетона, которые включали в себя несколько ключевых функций самовосстановления», — сообщает MIT News.

Из отчета: В течение многих лет исследователи предполагали, что ключом к долговечности древнего бетона был один ингредиент: пуццолановый материал, такой как вулканический пепел из района Поццуоли в Неаполитанском заливе. Этот особый вид золы даже развозили по всей обширной Римской империи для использования в строительстве, и архитекторы и историки того времени описывали ее как ключевой ингредиент для бетона.

При более внимательном рассмотрении эти древние образцы также содержат небольшие характерные ярко-белые минеральные элементы миллиметрового масштаба, которые давно признаны вездесущим компонентом римских бетонов. Эти белые куски, часто называемые «обломками извести», происходят из извести, еще одного ключевого компонента древней бетонной смеси.

Новое исследование, которое ранее игнорировалось как просто свидетельство небрежного смешивания или некачественного сырья, предполагает, что эти крошечные обломки извести придали бетону ранее непризнанную способность к самовосстановлению.

При дальнейшей характеристике этих обломков извести с использованием многомасштабных изображений с высоким разрешением и методов химического картирования исследователи получили новое представление о потенциальной функциональности этих обломков извести.

Исторически предполагалось, что когда известь добавлялась в римский бетон, она сначала смешивалась с водой с образованием высокореактивного пастообразного материала в процессе, известном как гашение. Но сам по себе этот процесс не мог объяснить присутствие обломков извести.

[Профессор гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Адам Масик] задался вопросом: «Изучая образцы этого древнего бетона, он и его команда определили, что белые включения действительно состоят из различных форм карбоната кальция. А спектроскопическое исследование дало понять, что они образовались при экстремальных температурах, как и следовало ожидать из экзотермической реакции, вызванной использованием негашеной извести вместо или в дополнение к гашеной извести в смеси.

Команда пришла к выводу, что горячее смешивание на самом деле было ключом к сверхпрочной природе. «Преимущества горячего смешивания двойственны, — говорит Масик.

«Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет использовать химические вещества, которые были бы невозможны, если бы вы использовали только гашеную известь, производя связанные с высокой температурой соединения, которые в противном случае не образовались бы. Во-вторых, в процессе горячего смешивания обломки извести образуют характерно хрупкую архитектуру наночастиц, создавая легко ломающийся и реактивный источник кальция, который, как предположила команда, может обеспечить критическую функцию самовосстановления. Как только в бетоне начинают образовываться крошечные трещины, они могут преимущественно проходить через обломки извести с большой площадью поверхности. Затем этот материал может реагировать с водой, создавая насыщенный кальцием раствор, который может перекристаллизоваться в карбонат кальция и быстро заполнять трещину, или реагировать с пуццолановыми материалами для дальнейшего укрепления композитного материала. Эти реакции происходят спонтанно и, следовательно, автоматически заживляют трещины до их распространения.

По данным Массачусетского технологического института, команда работает над коммерциализацией своего модифицированного цементного материала.

Результаты были опубликованы в журнале Science Advances.

Фото источник: MIT News

Добавить комментарий