Римски руини в Батна, Алжир. Снимка: Jamil Kabar, Unsplash
Древните римляни са били майстори на инженерните науки, изграждайки огромни мрежи от пътища, акведукти, пристанища и масивни сгради, чиито останки са оцелели в продължение на две хилядолетия. Много от тези структури са изградени с римски бетон.
Най-известният пример е прочутият Пантеон в Рим, който има най-големия в света купол от неармиран бетон и е осветен през 128 г. сл.Хр., все още е непокътнат, а някои древноримски акведукти и до днес доставят вода в Рим. В същото време много съвременни бетонни конструкции са се разпаднали след няколко десетилетия.
Изследователите от десетилетия се опитват да разгадаят тайната на този свръхиздръжлив древен строителен материал, особено в конструкции, които са издържали на особено тежки условия, като докове, канали и морски стени, или такива, изградени на сеизмично активни места.
Екип от изследователи от Масачузетския технологичен институт, Харвардския университет и лаборатории в Италия и Швейцария е постигнал напредък в тази област, откривайки древни методи за производство на бетон, които включват няколко ключови самовъзстановяващи се функции. Откритията са публикувани през януари 2023 г. в списание Science Advances в статия на професора по гражданско и екологично инженерство от Масачузетския технологичен институт (MIT) Адмир Масич (Admir Masic), бившата докторантка Линда Сиймур (Linda M. Seymour), и още четирима души.
Древните римски бетони са оцелели през хилядолетията, но механичните познания за тяхната дълготрайност остават загадка. Авторите на изследването са използвали многомащабен корелативен подход за елементарно и химично картографиране, за да изследват реликтовите варовикови класти, повсеместно разпространен и забележим минерален компонент, свързан с древноримските хоросани.
Заедно тези анализи дават нов поглед върху методологиите за приготвяне на хоросан и предоставят доказателства, че римляните са използвали горещо смесване, като са използвали негасена вар заедно с гасена вар или вместо нея, за да създадат среда, в която варовитите класти с голяма повърхност се задържат в матрицата на хоросана.
Вдъхновени от тези констатации, изследователският екип предлага тези макроскопични включвания да служат като критични източници на реактивен калций за дългосрочно запълване на порите и пукнатините или за постпозоланова реактивност в циментовите конструкции. Последвалото разработване и изпитване на съвременни циментови смеси, съдържащи варовикови класти, демонстрира техния потенциал за самовъзстановяване, като по този начин проправя пътя за разработването на по-трайни, устойчиви и устойчиви бетонни формули.
В продължение на много години изследователите предполагат, че ключът към дълготрайността на древния бетон се основава на една съставка: пуцоланов материал, като например вулканична пепел от района на Поцуоли, в Неаполитанския залив. Този специфичен вид пепел дори е бил доставян из цялата огромна Римска империя, за да бъде използван в строителството, и е описан като ключова съставка на бетона в разказите на архитекти и историци от онова време.
При по-внимателно изследване тези древни проби съдържат и малки, отличителни, милиметрови яркобели минерални елементи, които отдавна са признати за повсеместен компонент на римските бетони. Тези бели парченца, често наричани „варовикови класти“, произхождат от вар – друг ключов компонент на древната бетонна смес.
„Откакто за първи път започнах да работя с древноримски бетон, винаги съм бил очарован от тези характеристики“, коментира пред MIT.news Масич. „Те не се срещат в съвременните бетонни формули, така че защо присъстват в тези древни материали?“
Новото изследване показва, че тези малки варовикови късчета са дали на бетона непризната досега способност за самовъзстановяване, която преди това е била пренебрегвана като доказателство за небрежни практики на смесване или за лошо качество на суровините.
„Идеята, че наличието на тези варовикови късчета се дължи просто на нисък контрол на качеството, винаги ме е притеснявала“, казва Масич. „Ако римляните са положили толкова много усилия, за да създадат един изключителен строителен материал, следвайки всички подробни рецепти, които са били оптимизирани в продължение на много векове, защо биха положили толкова малко усилия, за да гарантират производството на добре смесен краен продукт? Трябва да има нещо повече в тази история.“
При по-нататъшното охарактеризиране на тези варовикови класти, използвайки многомащабни изображения с висока резолюция и техники за химическо картографиране, разработени за първи път в изследователската лаборатория на Масич, изследователите получават нови сведения за потенциалната функционалност на тези варовикови класти.
В миналото се е приемало, че когато варта е била влагана в римския бетон, тя първо се е комбинирала с вода, за да се образува силно реактивен материал, подобен на паста, в процес, известен като слакинг. Но този процес сам по себе си не би могъл да обясни наличието на варовиковите късове. Масич се чуди: „Възможно ли е римляните да са използвали директно вар в нейната по-реактивна форма, известна като негасена вар?“
Изследвайки проби от този древен бетон, той и екипът му установяват, че белите включвания наистина са направени от различни форми на калциев карбонат. Спектроскопското изследване пък дава сведения, че те са се образували при екстремни температури, както би се очаквало от екзотермичната реакция, предизвикана от използването на негасена вар вместо или в допълнение към гасената вар в сместа. Сега екипът стига до заключението, че горещото смесване всъщност е било ключът към свръхустойчивия характер.
„Предимствата на горещото смесване са двойни“, казва Масич. „Първо, когато целият бетон се нагрява до високи температури, това позволява химични процеси, които не са възможни, ако се използва само гасена вар, като се получават съединения, свързани с високите температури, които иначе не биха се образували. Второ, тази повишена температура значително намалява времето за втвърдяване и свързване, тъй като всички реакции се ускоряват, което позволява много по-бързо строителство.“
По време на процеса на горещо смесване варовиковите класти развиват характерна крехка архитектура от наночастици, създавайки лесно чуплив и реактивен източник на калций, който, както предлага екипът, би могъл да осигури критична самовъзстановяваща се функционалност. Веднага щом в бетона започнат да се образуват малки пукнатини, те могат да преминат преференциално през варовиковите класти с висока повърхност.
Експериментите и археологията на римския бетон
След това този материал може да реагира с вода, създавайки наситен с калций разтвор, който може да рекристализира като калциев карбонат и бързо да запълни пукнатината, или да реагира с пуцоланови материали, за да укрепи допълнително композитния материал. Тези реакции протичат спонтанно и следователно автоматично заздравяват пукнатините, преди те да се разпространят. Предишна подкрепа за тази хипотеза е намерена чрез изследване на други образци от римски бетон, при които са наблюдавани пукнатини, запълнени с калцит.
За да докаже, че това наистина е механизмът, отговорен за дълготрайността на римския бетон, екипът изработва образци от горещо смесен бетон, включващ както древни, така и съвременни рецептури, умишлено ги напуква и след това пуска вода през пукнатините. Това е достатъчно: В рамките на две седмици пукнатините са напълно заздравени и водата вече не може да тече. Идентично парче бетон, направено без негасена вар, не заздравява и водата продължава да тече през пробата. В резултат на тези успешни тестове екипът работи по комерсиализирането на този модифициран циментов материал.
„Вълнуващо е да мислим как тези по-издръжливи бетонни формули биха могли да разширят не само експлоатационния живот на тези материали, но и как биха могли да подобрят издръжливостта на 3D-принтираните бетонни формули“, допълва Масич.
Той се надява, че чрез удължаване на функционалния живот и разработване на по-леки бетонни форми тези усилия биха могли да помогнат за намаляване на въздействието на производството на цимент върху околната среда, което понастоящем представлява около 8% от световните емисии на парникови газове.
Заедно с други нови формулировки, като например бетон, който действително може да абсорбира въглероден диоксид от въздуха, което е друг актуален изследователски фокус на лабораторията на Масич, тези подобрения могат да помогнат за намаляване на глобалното въздействие на бетона върху климата и по-важното, могат да ни помогнат да имаме много по-издръжливи сгради.
Резултатите
Пробите от римски хоросан, изследвани тук, произхождат от древния град Привернум, близо до Рим, Италия (фиг. 1А). Привернум е бил обитаван още през II в. пр. н. е. до XIII в. сл.Хр., а обектът е разкопан за първи път през XVIII век, като най-новите работи са извършени от 1990 г. до наши дни.
Пробите, анализирани в настоящото изследване, са били част от градската стена (фиг. 1, B и C), композиционно съответстват на други проби от римски бетон, датирани от същия период, и съответстват на римското владение на града, продължила до падането на империята.
Пробите за изследване произхождат от археологическия обект Привернум, близо до Рим, Италия (А), и са показани като триизмерна реконструкция, базирана на фотограметрия (B). Пробите от архитектурен хоросан са взети от граничещата с града бетонна стена (C). EDS картографирането на голяма площ на повърхността на фрактурата (D) разкрива богатите на калций (червено), алуминий (синьо), силиций (зелено) и сяра (жълто) области на хоросана. По-нататъшно изобразяване на полирани напречни сечения (E) показва реликтови варовикови класти в агрегатен мащаб в рамките на хоросана (големите червени елементи, обозначени със звездички). Цветните стрелки в (E) обозначават пръстените, граничещи с порите, видими в данните от EDS, които са богати на калций (червено) или сяра (жълто), които са увеличени вдясно, за да се покажат допълнителни детайли. Снимки (B и C): Роберто Скалесе (Roberto Scalesse) и Джанфранко Куаранта (Gianfranco Quarantaи), Associazione AREA3, Италия.
За да изследват сантиметровите, милиметровите и субмилиметровите детайли на състава на пробите от хоросан, учените са използвали метода SEM-EDS (сканираща електронна микроскопия и енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия – scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy).
Елементното картографиране на голяма площ на прясно напуканата повърхност на представителна проба от римски хоросан (фиг. 1D) показва сложния ѝ химичен състав (с преобладаващо присъствие на калций, силиций и алуминий), реликтовите варовикови класти с агрегатен мащаб и доказателства за запълване на порите от вторични минерални фази.
Допълнителното елементарно картиране на полирани проби от хоросан (фиг. 1Е) предостави допълнителна дребномащабна информация за структурата и състава, чиито резултати са в съответствие с предишни изследвания на римски хоросани и бетони.
Трябва да се отбележи, че за да получат надеждни данни за елементното картиране от неправилно начупените бетонни проби, учените са използвали мултидетекторна EDS система, която минимизира потенциалния принос на артефакти от засенчване и улесни високопроизводителния анализ на голям брой тестови проби.
Общо повече от 15 различни области на проби от напукани и полирани бетонни разтвори са били анализирани (от 10 различни събрани фрагмента), използвайки този подход, и резултатите са представителни за наблюдаваните тенденции.
Вдъхновените от римската епоха образци от горещо смесен бетон са механично счупени и след това повторно сглобени (с разстояние 0,5 ± 0,1 mm) и предварително подготвени за нашите изследвания на заздравяването на пукнатините (А).
С помощта на интегрирана схема за измерване на потока (B) с помощта на разходомер беше документиран водният поток през пробата в продължение на 30 дни. В сравнение с контролата без варовикови класти (оранжева линия) след 30 дни водният поток през пробата, съдържаща варовикови класти (синя линия), престана (C), а изследването на пукнатата повърхност показа, че тя е напълно запълнена с новоутаена минерална фаза (D и E), която беше идентифицирана като калцит от измерванията с Raman спектроскопия (F).
Крайният резултат е научно доказан метод за производство на бетон, който се самовъзстановява. Нещо, което може да е полезно за строителите в цял свят.
Изследването
Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete, Linda M. Seymour, Janille Maragh, Paolo Sabatini, Michel di Tommaso, James C. Weaver, and Admir Masic, SCIENCE ADVANCES, 6 Jan 2023, Vol 9, Issue 1
Ami Boyko ne e bil roden!