Найден секретный ингредиент, помогающий самовосстановлению древнеримского бетона

Бетон является наиболее часто используемым строительным материалом в мире, но он не невосприимчивым к повреждениям. Погода и нагрузки могут привести к крошечным трещинам, затем перерасти в гораздо более крупные трещины, которые в конечном итоге угрожают целостности всей конструкции. Это может потребовать дорогостоящего обслуживания или замены, чтобы предотвратить катастрофические разрушения.

Древнеримские постройки наоборот - 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 со временем становиться прочнее в морской среде, такой как пирсы. Одно из распространенных включений - миллиметровые кусочки белого минерала, называемые известковыми обломками, - обычно игнорируются как побочный продукт, но в новом исследовании ученые обнаружили, что они могут быть там не просто так.

«Меня всегда беспокоила мысль о том, что присутствие 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».

Команда использовала несколько методов визуализации и химического картирования для более тщательного изучения обломков извести и обнаружила, что они состоят из типов карбоната кальция, который 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 использовали древние римляне.

«Преимущества горячего смешивания двойственны», — сказал Масич. «Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет использовать химические вещества, которые были бы невозможны, если использовать 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, обломки извести играют активную роль в самовосстановлении бетона. Горячий процесс делает включения хрупкими, поэтому когда в бетоне образуются крошечные трещины, они, перемешиваясь, проходят через обломки извести легче, 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.

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 восстанавливался.

По словам команды, открытие не только помогает 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.