Если не ухаживать за современным бетонным сооружением в течение нескольких десятилетий, оно начнет трещать разваливаться. Тем не менее, сооружения, построенные древними римлянами, прочны даже спустя 2000 лет. Теперь ученые нашли ингредиент, который помогает древнему бетону самостоятельно залечивать трещины, и на его основе создали рецепт, который позволит сделать новые здания прочнее.
Римский бетон
Бетон - самый распространенный строительный материал в мире, но он не неуязвим. Погода и тепловые перепады могут привести к появлению крошечных трещин, которые становятся все больше и в итоге угрожают целостности всей конструкции. Восстановление таких повреждений может потребовать дорогостоящего технического обслуживания.
Тем не менее, древнеримские постройки выдерживали испытание двумя тысячелетиями. Чтобы выяснить, как это стало возможно, ученые исследовали образцы материалов из римских зданий, пытаясь изучить их состав и определить ингредиенты, придающие им такую прочность.
Секретный ингредиент
До сих пор предполагалось, что главная причина долговечности римских построек - особый пуццолановый вулканический пепел из района Поццуоли на берегу Неаполитанского залива. Известно, что такой пепел специально возили по всей территории Римской империи, поскольку работать с ним предпочитали лучшие архитекторы того времени. Наличие такого пепла в составе реально помогает бетону становиться прочнее при длительном контакте с водой, что полезно при строительстве акведуков и морских пирсов. Но это - не единственный секрет.
Ученые MIT обратили более пристальное внимание на кусочки белого материала миллиметрового размера, называемые обломками извести. Эти фрагменты повсеместно встречаются в образцах древнеримского бетона.
Ирония заключается в том, что до сих пор присутствие этих частиц в составе считалось результатом банальной небрежности. Мол, римляне недостаточно тщательно просеивали бетон при приготовлении. Но теперь ученые предполагают, что известковые фрагменты добавлялись специально. И именно они наделяют бетон способностью к самовосстановлению.
«Мысль о том, что наличие этих известковых фрагментов объясняется низким контролем качества, всегда беспокоила меня. Если римляне приложили столько усилий, чтобы сделать выдающийся строительный материал, следуя подробным рецептам, которые оптимизировались на протяжении веков, почему они приложили так мало усилий для обеспечения качества смеси конечного продукта? Тут явно есть что-то еще», - говорит Адмир Масич, ведущий автор исследования.
Слева- археологический участок Привернум, Италия, где были собраны образцы древнего бетона для исследования. Справа - карта ингредиентов в одном из образцов, с крупным включением кальция (красный)
Негашеная известь
Ученые использовали несколько методов визуализации и химического картирования для тщательного осмотра известковых фрагментов. Оказалось, что они изготовлены из типов карбоната кальция, который образовался при высокой температуре. Это означает, что они появились в результате непосредственного добавления в состав бетона негашеной извести (процесс «горячего смешивания»).
«Преимущества горячего смешивания двояки. Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет производить химические вещества, которые невозможны, если вы использовали только гашеную известь. Это создает соединения, связанные с высокими температурами, которые в противном случае не образовывались бы. Во-вторых, повышенная температура значительно снижает время затвердевания и схватывания, поскольку все реакции ускоряются. Это позволяет значительно ускорить строительство», - говорит Масич.
Но что еще важнее, известковые частицы играют активную роль в самовосстановлении бетона.
Самовосстанавливающийся древнеримский бетон
Процесс горячего смешивания делает частицы хрупкими, так что когда в бетоне образуются микротрещины, они проходят по таким известковым фрагментам легче, чем по более прочному окружающему материалу. Казалось бы, это делает конструкцию менее прочной. Но затем в трещины попадает вода. Она реагирует с известью, образуя новый раствор. Этот раствор затвердевает, превращаясь в карбонат кальция. Таким образом, трещина снова зарастает. Более того, раствор может реагировать с пуццолановым материалом и дополнительно укреплять сам бетон.
То, что ранее считалось нежелательным побочным продуктом, оказалось едва ли не ключевыми ингредиентом, обеспечивающим долговечность древнеримских бетонных конструкций.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи затем изготовили образцы древнего и современного бетона, затем повредили их и заставили воду течь сквозь трещины. Спустя две недели образец бетона, изготовленного по древнеримскому рецепту, полностью зарастил свои трещины и перестал пропускать воду. Современный бетон так и остался поврежденным.
По словам ученых, это открытие не только помогает нам понять секреты древней инженерии, но и позволяет улучшить современные строительные рецепты. Теперь команда намерена коммерциализировать свое открытие.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
