Лежащий тысячелетиями и кажущийся крепче с каждым годом, римский бетон известен своей прочностью. Новое исследование раскрыло химические процессы, с помощью которых этот древний строительный материал сохраняет свои свойства. И сейчас в наших руках снова овладеть этой технологией.
Начало исследования
В 2014 году группа исследователей во главе с Мари Д. Джексон показала, как рецепт римского бетона (по их утверждениям, это смесь вулканического пепла, извести и морской воды с вулканическим каменным заполнителем) произвел реакцию, в результате которой был получен сверхпрочный бетон. Проблема в том, что команда Джексона не была полностью уверена, как римлянам удалось сделать эту сложную реакцию проще.
В дальнейшем исследователи выяснили, что римляне, возможно, сами не подозревали, что сотворили. Процесс укрепления был получен с помощью устойчивой фильтрации коррозийной морской воды через бетон с течением времени. Это сынициировало рост редких, взаимосвязанных минералов, сделавших материал жестче.
И правда, древние римские пирсы возрастом более 2000 лет сегодня считаются более прочными, чем в момент их создания. Современные морские бетонные конструкции из камней или гравия с водой и цементом разрушаются в течение пары десятков лет.
Вдохновленные залежами вулканического пепла с естественным цементированием, римляне научились делать бетон, и они сделали это, используя силу связывания, которую ученые теперь называют пуццолановой реакцией. Название возникло от города Поццуоли в Неаполитанском заливе. Реакция заставляет минералы расти между заполнителем и раствором, в этом случае смесь оксидов кремнезема и извести содержится в вулканическом пепле, что имеет удачный эффект предотвращения возникновения трещин. В современном бетоне также используется горная порода, но сегодняшние частицы намеренно сохраняют инертность, чтобы предотвратить протекание реакции. Эти нереакционноспособные агрегаты способствуют росту и распространению трещин, что приводит к устойчивому износу.
Как показала предыдущая работа группы Джексона, содержание редкого минерала в римском морском растворе, называемого глиноземистым тоберморитом, позволяет кристаллам минерала расти вокруг частиц извести посредством пуццолановой реакции. Всё это случается только при больших температурах, и непонятно, как римлянам удалось добиться этого эффекта. Для ученых сегодня трудно сделать это в лаборатории, и когда этого добьются, опыты будут производиться только небольшими партиями.
Раскрытие тайны
Убежденные в том, что на эффект повлияло что-то другое, исследователи взяли образцы глиноземистого тоберморита и связанного с ним минерала (филлипсит) в лабораторию для рентген-сканирования. Было обнаружено, что глиноземный тоберморит образуется в частицах и порах пемзы в цементирующей смеси, но так как не представляется возможным повторить этот эффект в короткие промежутки времени без сильного нагрева, исследователи решили, что за это должна быть ответственна другая причина.
Исследователи пришли к выводу, что что-то другое - это постоянный стук морской воды. Вместо разрушения бетона вода просеивает материал, растворяя части пепла. За много лет это дает минералам расти из сильнощелочных жидкостей, которые в итоге выщелачиваются. Это приводит к распространению взаимосвязанных кристаллических структур, повышающих устойчивость образуемого бетона к разрушению.
Для инженера-технолога, работающего сегодня, этот процесс станет настоящим кошмаром. На самом деле, ученые проводят много времени, пытаясь предотвратить подобные вещи в современных материалах.
Почему мы не можем повторить рецепт бетона древних римлян? С одной стороны, вулканический пепел не особо добывается в наше время. Но самое важное – у нас все еще нет точного рецепта, использованного римлянами для изготовления бетона, и мы не имеем доступа к подобным строительным материалам.