Найден секретный ингредиент, помогающий самовосстановлению древнеримского бетона

Если современную бетонную конструкцию в течение нескольких десятилетий не обслуживать, она начнет разваливаться, и тем не менее строения, построенные древними римлянами, по-прежнему остаются прочными спустя 2000 лет. Теперь инженеры нашли включение, которое помогает древнему бетону избавляться от трещин, и показали, как можно 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 затем перерастают в гораздо более крупные трещины, которые в конечном итоге угрожают целостности всей конструкции.

Напротив, древнеримские постройки выдержали испытание временем более двух тысячелетий. Чтобы выяснить, как это им удалось, ученые долгое время исследовали образцы материала под микроскопом, чтобы изучить состав и выявить ингредиенты, придающие бетону 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 со временем становиться прочнее в морской среде, такой как пирсы.

Одно распространенное включение — куски белого минерала размером с миллиметр, называемые известковыми обломками — обычно игнорируется как побочный продукт, но в новом исследовании ученые 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 еще».

Ученые использовала несколько методов визуализации и химического картирования для более тщательного изучения обломков извести и обнаружили, что они состоят из типов карбоната кальция, который, по-видимому, образовался при высокой температуре. Это предполагало, что они были сделаны путем прямого добавления (или «горячего смешивания») негашеной извести, более реакционноспособной формы извести, чем форма, которую, как предполагалось, использовали древние римляне.

«Преимущества горячего смешивания двойственны, — сказал Адмир Масич. «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 иначе не образовались бы. Во-вторых, повышенная температура значительно сокращает время отверждения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить 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 окружающий материал.

Когда вода попадает в трещины, она вступает в реакцию с известью, образуя раствор, который снова превращается в карбонат кальция и закупоривает трещину. Он также может реагировать с пуццолановым материалом и дополнительно укреплять сам бетон.

По словам ученых, вместо того, чтобы быть нежелательным побочным продуктом, 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 раскололи их и в течение длительного времени пропускали воду через трещины. Через две недели образец древнего бетона залечил свои трещины, блокируя сток воды. С другой стороны, современный материал вообще не избавлялся от трещин.

Исследователи говорят, что открытие не только помогает понять секреты древней инженерии, но и может помочь улучшить современные рецепты изготовления бетона. С этой целью ученые предпринимают шаги по коммерциализации материала.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.