Исследователи раскрывают, почему древние римские памятники все еще стоят спустя тысячелетия

 Что римляне сделали для нас? Они создали самовосстанавливающийся бетон, который сегодня может сократить огромные выбросы, вызванные современным производством цемента, говорится в исследовании.

В то время как современные здания разваливаются в течение десятилетий, древнеримские памятники в лучшем случае выдерживают испытание временем на протяжении тысячелетий. Теперь мы знаем, почему: исследователи обнаружили, что их строители использовали бетон, который может «исцелить себя», просто находясь под воздействием воды.

Новый взгляд на устойчивость римского бетона не только объясняет, почему сооружения, начиная от Пантеона в Риме и заканчивая морским портом Кесарии в Израиле, все еще стоят спустя 2000 лет после постройки. Это также предлагает нам путь к сокращению углеродного следа современного производства цемента, на долю которого приходится до восьми процентов глобальных выбросов парниковых газов, говорят Линда Сеймур из Массачусетского технологического института в Бостоне и ее коллеги в исследовании, опубликованном в пятницу в журнале Science Advances.

Исследование основано на предыдущих исследованиях, в которых изучались древние пирсы и волнорезы, чтобы показать, что римляне добавляли в раствор вулканический пепел, чтобы сделать бетон очень устойчивым, особенно при контакте с морской водой.

Как и почему это произошло, до сих пор было не совсем ясно, говорит профессор Адмир Масик, материаловед из Массачусетского технологического института и руководитель группы, изучающей древнеримский бетон.

Современный бетон представляет собой смесь песка, гравия, воды и так называемого портландцемента, который, в свою очередь, производится путем обжига известняка, глины и других материалов в печах, температура которых достигает более 1400 градусов по Цельсию. Этот процесс высвобождает почти одну тонну углекислого газа, вызывающего изменение климата, на тонну произведенного цемента.

Это также создает очень однородную смесь, которая плохо справляется с трещинами и может рассыпаться уже через несколько десятилетий.

Несовершенное делает совершенным

Римский бетон менее однороден, чем его современный аналог, и содержит крошечные гранулы белого кальция, называемые обломками извести, которые первоначально не растворяются, а остаются в ловушке в камнеподобном материале.

«С тех пор, как я впервые начал работать с древнеримским бетоном, меня всегда восхищали эти особенности», — говорит Масик. «Их нет в современных рецептурах бетона, так почему же они присутствуют в этих древних материалах?»

Исследователи обнаружили, что когда-то считавшиеся несовершенством, обломки извести на самом деле являются ключом к раскрытию самовосстанавливающихся свойств римского бетона.

«Меня всегда беспокоила мысль о том, что присутствие этих обломков извести просто связано с низким контролем качества», — говорит Масик. «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».

Масич и его команда собрали образцы бетона в Привернуме, древнем поселении в 100 км к югу от Рима, и изучили состав раствора с помощью электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии. Исследователи отметили, что трещины в бетоне были заполнены карбонатом кальция, тем же веществом, что и в обломках.

Они пришли к выводу, что римляне изготавливали бетон с помощью процесса, называемого горячим смешиванием. Это включает в себя смешивание песка, вулканического пепла и негашеной извести (то есть обожженного известняка), а затем добавление воды. Гидратация вызывает химическую реакцию между известью и водой, которая повышает температуру смеси до 200 градусов (отсюда и термин «горячая»), а также вызывает образование крошечных кусочков оставшейся извести.

Если в бетоне в конечном итоге появляются трещины, вода (будь то дождь на суше или морская вода) проходит через трещины и растворяет кальций в обломках извести. Затем кальций осаждается и рекристаллизуется вдоль трещин, в конечном итоге запечатывая их, объясняет Масик.

Чтобы подтвердить свою теорию, исследователи изготовили цилиндры из бетона, вдохновленного римлянами, с использованием техники горячего смешивания, которая, по их мнению, использовалась в древности. Как только бетон схватился, они разбили цилиндры и разделили две половины на расстояние 0,5 миллиметра, оставив их под проточной водой. И о чудо, через одну-три недели трещины залечились, а управляющие цилиндры, сделанные из современного цемента, остались сломанными, сообщают Масич и его коллеги.

Подсказки о том, что это было ключом к прочности римского раствора, присутствуют в исторических записях. Процесс, который высвобождает «скрытое тепло» при производстве бетона, описан римским архитектором и инженером Витрувием, но мы впервые смогли определить используемую технику и воспроизвести замечательную прочность римского бетона, говорит Масич.

«Недавно было проведено множество исследований древнеримских бетонных конструкций на суше и в море, показавших, что вулканические материалы и обломки извести в бетоне со временем реагируют с внутренними жидкостями», — говорит профессор Мари Джексон, геолог и геофизик из Университет штата Юта, чьи исследования сосредоточены на древнеримском бетоне.

«Из этих жидкостей осаждаются различные минеральные цементы, укрепляющие бетон в течение его длительного срока службы», — говорит Джексон, не принимавший участия в последнем исследовании.

Усилия Масича и его команды «являются очень интересным исследованием, но оно сосредоточено на химической системе, которая составляет лишь небольшую часть необычайной устойчивости архитектурных бетонов Древнего Рима и морских бетонных сооружений, построенных в Средиземном море с известью. и вулканическая порода», — говорит она.

Когда в Риме

В то время как многие современные сооружения уже рушатся, акведуки Рима и по сей день обеспечивают водой Вечный город; Пантеон, перекрытый самым большим в мире куполом из неармированного бетона, стоит нетронутым; и прибои в порту царя Ирода в Кесарии, к северу от Тель-Авива, не уступают волнам даже спустя 2000 лет.

В таких памятниках использовались и другие инженерные приемы и процессы самовосстановления, но использование горячего смешивания и присутствие обломков извести в бетоне, безусловно, были ключевыми факторами долговечности римских сооружений, утверждает Масич.

Римляне не обязательно понимали химию, лежащую в основе устойчивости их бетона, но они создали этот рецепт из столетий проб и ошибок, чтобы строить более прочные конструкции, особенно в море, и как только они нашли что-то, что хорошо работало, они придерживались этого. говорит.

Хотя исследователи взяли пробы цемента из одного места, Масич уверен, что раствор, взятый из Привернума, является представителем римского бетона. В любом случае, исследования строительных материалов из других римских памятников для подтверждения первоначальных выводов его команды уже ведутся, добавляет он.

Масик также является соучредителем DMAT, компании, которая стремится коммерциализировать более экологичные цементные продукты, вдохновленные древнеримскими технологиями

По словам профессора Массачусетского технологического института, если бы современные производители цемента поступали так, как поступали римляне, у нас было бы больше долговечных зданий и уменьшился бы углеродный след бетонной промышленности. Изготовление негашеной извести для горячего смешивания требует более низких температур, чем обычный портландцемент, что означает сжигание меньшего количества топлива в печах. И еще есть фактор долговечности. «Если мы удвоим или утроим срок службы материалов на основе цемента, нам потребуется меньше материалов в течение более длительного времени, и мы сможем значительно снизить выбросы при производстве бетона», — говорит Масич.

Итак, если бы мы снова задали пресловутый вопрос из «Жизни Брайана» Монти Пайтона — что римляне вообще сделали для нас? — возможно, вскоре нам придется признать, что в дополнение к акведукам, санитарии, дорогам и всем прочим изящным вещам римляне, возможно, также непреднамеренно протянули нам руку для решения проблемы изменения климата.

Источник