Если пренебречь современным бетонным сооружением в течение нескольких десятилетий, оно начнет разваливаться, а сооружения, построенные древними римлянами, по-прежнему остаются прочными спустя 2000 лет. Теперь инженеры нашли включение, которое помогает древним бетонным трещинам самозалечиваться, и показали, как мы можем воссоздать рецепт, чтобы новые здания служили дольше.
Бетон является наиболее часто используемым строительным материалом в мире, но он не является невосприимчивым к повреждениям. Погода и напряжение могут привести к крошечным трещинам, которые могут перерасти в гораздо более крупные трещины, которые в конечном итоге угрожают целостности всей конструкции. Это может потребовать дорогостоящего обслуживания или замены, чтобы предотвратить катастрофическое обрушение.
Напротив, древнеримские постройки выдержали испытание временем более двух тысячелетий. Чтобы выяснить, как это сделать, ученые долгое время исследовали образцы материала под микроскопом, чтобы изучить состав и выявить ингредиенты, придающие такую силу.
Особое место занимает пуццолановый материал, изготовленный из вулканического пепла из определенного региона Италии. То же самое относится и к извести, и в предыдущих исследованиях было обнаружено, что она помогает бетону становиться прочнее со временем в морской среде, такой как пирсы. Одно распространенное включение — куски белых минералов размером с миллиметр, называемые обломками извести — обычно игнорируется как побочный продукт, но в новом исследовании исследователи обнаружили, что они могут быть там по какой-то причине.
«Меня всегда беспокоила мысль о том, что присутствие этих обломков извести связано с низким контролем качества», — сказал Адмир Масич, ведущий автор исследования. «Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые совершенствовались в течение многих веков, почему они приложили так мало усилий для обеспечения производства хорошо перемешанного конечного продукта? В этой истории должно быть что-то большее».
Слева: место археологических раскопок в Привернуме (ныне Приверно), Италия, где были собраны образцы древнего бетона для данного исследования. Справа: карта ингредиентов одного из образцов в искусственных цветах с большим включением кальция (красный). Фото: MIT.
Команда использовала несколько методов визуализации и химического картирования для более тщательного изучения обломков извести и обнаружила, что они состоят из разновидностей карбоната кальция, который, по-видимому, образовался при высокой температуре. Это предполагало, что они были сделаны путем прямого добавления (или «горячего смешивания») негашеной извести, более реактивной формы извести, чем та форма, которую предположительно использовали древние римляне.
«Преимущества горячего смешивания двойственны», — сказал Масич. «Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет использовать химию, которая была бы невозможна, если бы вы использовали только гашеную известь, производя связанные с высокой температурой соединения, которые иначе не образовались бы. Во-вторых, эта повышенная температура значительно сокращает время отверждения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить и строительство».
Но что еще более важно, эти обломки извести играют активную роль в самовосстановлении бетона. Процесс горячего смешивания делает включения хрупкими, поэтому, когда в бетоне образуются крошечные трещины, они легче проходят через обломки извести, чем через окружающий материал. Когда вода попадает в трещины, она вступает в реакцию с известью, образуя раствор, который снова затвердевает в карбонат кальция и закупоривает трещину. Она также может реагировать с пуццолановым материалом и дополнительно укреплять сам бетон.
Команда говорит, что вместо того, чтобы быть нежелательным побочным продуктом, эти обломки извести существуют не просто так. Этот механизм самовосстановления может быть основным фактором долговечности древнеримских бетонных конструкций.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи изготовили горячие образцы древнего и современного бетона, затем заставили их растрескаться и в течение длительного времени пропускали воду через трещины. Через две недели образец древнего бетона залечил свои трещины, препятствуя течению воды. С другой стороны, современный материал вообще не заживал.
Команда говорит, что открытие не только помогает нам понять секреты древней инженерии, но и может помочь улучшить современные рецепты бетона. С этой целью исследователи предпринимают шаги по коммерциализации материала.
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Источник: MIT.
