Изучая секреты 2000-летнего бетона, исследователи пытаются разработать более экологичные и долговечные современные варианты

В июне Министерство культуры Италии объявило о раскопках новой комнаты, еще не открытой для публики, среди руин Помпеи. Несколько недель спустя группа археологов собралась для осмотра помещения: стены, покрытые ярко-синей краской — дорогим пигментом, предназначенным для особых помещений, — и тщательно прорисованные фрески с сельскохозяйственными изображениями, удивительно хорошо сохранившиеся спустя почти 2000 лет.

Адмира Масича, химика из Массачусетского технологического института, больше заинтересовало то, что любому туристу показалось бы ничем не примечательной кучей  земли на краю комнаты. По его словам этот светло-коричневый и зернистый материал был важнейшим компонентом Римской империи: предшественником бетона – важнейшим строительным материалом для  римской инфраструктуры, включая акведуки, которые доставляли пресную воду в такие города, как Помпеи.

«Римлянам удалось доставить воду в город, а вместе с водой пришла и гигиена», — сказал доктор Масич. «Этот технологический прогресс позволил им, прежде всего, построить Рим таким, какой он есть, а также возводить похожие на него города  везде, куда бы они ни пошли».

Современный бетон на основе материала, известного как портландцемент, был разработан в Англии в 19 веке и на сегодняшний день является самым популярным строительным материалом в мире. Он дешев, прочен и стандартизирован, предоставляя инженерам повсюду простой материал для строительства квартир, плотин, небоскребов и многого другого. Но он гораздо менее эластичен, чем бетон, использовавшийся во времена Римской империи; с течением десятилетий на нем образуются трещины, которые, пропуская воду, со временем могут разрушить материал.

Более того, производство бетона является основным фактором изменения климата, производя 8 % выбросов углекислого газа во всем мире. Изучая секреты римского бетона, такие исследователи, как доктор Масик, пытаются разработать более экологичные и долговечные современные варианты.

«Римский морской бетон выжил в одной из самых агрессивных сред на Земле без какого-либо обслуживания», — сказала Мари Джексон, геолог из Университета Юты.

Самовосстанавливающееся вещество

Адмир Масич во время визита в Помпеи в июле

Римский бетон получает большую часть своей прочности от смеси гидратов алюмината кальция, известных как CASH, с различными химическими формулами. Но как именно римляне производили этот материал, неясно.

Традиционное мнение состоит в том, что римляне нагревали известняк, в основном состоящий из карбоната кальция для получения опасного реактивного материала, называемого негашеной известью или оксидом кальция. Затем добавляли воду, образуя гидроксид кальция или гашеную известь. Наконец, они объединили это с объемистым заполнителем, часто вулканическим пеплом, который поставлял алюминий и кремний, необходимые для бетона — A и S в CASH.

Доктор Масик видит проблему в этом объяснении. Он отметил, что многие образцы римского бетона содержат видимые белые куски или обломки. «Вы видите их повсюду — в Риме, в Африке, в Израиле», — сказал он.

Обычно считается, что куски являются непреднамеренным продуктом плохого качества изготовления, но доктор Масик утверждает, что римские инженеры были слишком умны, чтобы создавать бетон, делая одни и те же ошибки. «Люди говорят, что известковая крошка плохо смешивается с гашеной известью», — сказал он. «Наша гипотеза заключается в том, что это не является частью плохой обработки; это часть технологии».

Согласно исследованиям доктора Масика эти известковые обломки на самом деле были резервуарами кальция, который помогал заполнять трещины, обеспечивая самовосстановление бетона. По мере образования трещин вода просачивалась внутрь и растворяла кальций в извести, который затем образовывал твердый карбонат кальция, по сути создавая новую породу, заполняющую трещину.

Фреска, с присутствием ярко-синей краски недавно открытой комнаты; сканированное электронное изображение образца древнеримского бетона с известковой крошкой, выделенное красным; Доктор Масич осматривает фрески на бетонных стенах в Помпеях

Доктор Масик утверждает, что известковые куски образовались не из гашеной извести, а из негашеной извести, которую римляне добавляли напрямую (процесс, называемый горячим смешиванием). Поскольку негашеная известь настолько реакционноспособна, в сочетании с вулканическим пеплом она выделяет тепло, нагревая материал до температуры более 170 градусов по Фаренгейту, что приводит к затвердеванию бетона намного быстрее. По словам доктора Масика, этот метод также создал несколько горячих точек с температурой почти 400 градусов, в результате чего часть негашеной извести осталась в виде небольших неповрежденных кусков — обломков, которые сегодня можно увидеть в римском бетоне и которые обеспечивают его свойства самовосстановления.

Но трудно доказать, что римляне намеренно оставляли куски негашеной извести в своем бетоне, потому что куски химически менялись на протяжении веков. По словам доктора Масика, исследуя обломки с помощью специальных микроскопов, он и его коллеги показали, что обломки действительно изначально представляли собой негашеную известь.

Доктор Масик организовал свое исследование в компании под названием DMAT, целью которой является интеграция принципов римской химии бетона в современные технологии. Она продает добавку, которая, как утверждается, запечатывает трещины в бетоне, что теоретически позволит снизить зависимость от портландцемента с его большим углеродным следом. «Мы генерируем больше прочности, генерируем больше связующего вещества», — сказал Паоло Сабатини, исполнительный директор компании. «Когда мы делаем это, мы используем меньше цемента».

Рынок Траяна в центре Рима

Вулканические реакции

Не все исследователи убеждены, что горячее смешивание было ключом к созданию самовосстанавливающегося бетона у римлян. Доктор Джексон утверждает, что секрет кроется в объемистых материалах, смешанных с известью, часто разновидностью вулканического пепла, называемой пуццоланом. Согласно ее исследованиям, названный в честь приморского города Поццуоли в Италии, где была раскопана большая его часть, пуццолана активировала особые химические реакции, которые придавали римскому бетону непревзойденную долговечность.

Первоначальная реакция извести и пуццолана привела к образованию соединений CASH, которые действовали как клей в древнеримском бетоне. И материалы продолжали реагировать, образуя редкие минералы, такие как стратлингит, в течение многих лет после того, как был изготовлен бетон, как обнаружил доктор Джексон. Кристаллы стратлингита, имеющие форму чешуек и иголок, помогали скреплять грубые куски материала в бетоне и блокировали рост трещин. «Похоже, что такое ужесточение бетона имеет решающее значение для долгосрочной устойчивости», — сказала она, — и «способствует укреплению сплоченности на протяжении веков».

Изображение сканирующего электронного микроскопа кристаллов глиноземистого тоберморита доктора Джексона, которые по мере своего развития заполняют трещины в бетоне

Бетонные цилиндры в римском стиле, разработанные Вардой Ашрафом, инженером-строителем из Техасского университета в Арлингтоне, после того, как они находились под водой в течение одного года

Доктор Джексон и ее коллеги проверили свои гипотезы о древнем бетоне, создав его современные аналоги. В одном эксперименте исследователи построили бетонные арки, погрузили их в морскую воду на 50 дней, а затем надавили на верхнюю часть арок с увеличивающимся давлением, пока бетон не начал гнуться и трескаться. Затем арки почти на год погрузили в воду и снова испытали. Исследователи обнаружили, что соединения CASH заполнили крошечные трещины и что арки могут выдерживать в два-три раза большую силу, чем раньше, в зависимости от конкретного испытания. Затем команда снова погрузила арки под воду. Позже в этом месяце они планируют снова протестировать их после почти трех лет пребывания в морской воде.

«То, как римляне выбирали материалы, фактически блокировало распространение переломов», — сказал доктор Джексон. «Они были хозяевами».

Доктор Джексон и ее сотрудники полагают, что они точно определили, когда римляне достигли этого мастерства: в первом веке до нашей эры, во времена поздней республики. Театр Марчелло и Рынки Траяна — два объекта в Риме, которые изучал доктор Джексон, — «зафиксировали этот прорыв», сказала она.

Варда Ашраф, инженер-строитель из Техасского университета в Арлингтоне, разработал бетон в римском стиле, который можно использовать под водой для строительства более прочных мостов, волноломов и искусственных рифов, сохраняя при этом такую ​​же прочность, как и обычный современный бетон.

Ключевым нововведением было использование глины, обогащенной минералом каолинитом, дешевым и широко доступным материалом, вместо вулканического пепла в древнем рецепте. «Мы берем это и используем точно такие же пропорции, которые использовали древнеримские инженеры», — сказала она.

Чтобы сделать глину химически активной, они нагрели ее примерно до 1300 градусов по Фаренгейту. Напротив, обычный портландцемент необходимо обжигать в печи при температуре около 2600 градусов по Фаренгейту. «Это огромная экономия» энергии, сказала она, что приводит к «70-процентному сокращению выбросов углекислого газа».

Исследователи протестировали свое творение на мелководье Мексиканского залива. Они изготовили десятки бетонных предметов — цилиндров, кубов, дисков — и поместили их в клетки, а затем наняли водолазов, чтобы они установили клетки на морском дне на глубине дюжины футов. Год спустя прочность бетона существенно возросла, поэтому доктор Ашраф и ее коллеги отправились праздновать это событие. «Мы пошли в итальянский ресторан», — сказала она.

Источник: www.nytimes.com