Вече знаем каква е тайната на невероятната издръжливост на римския бетон

Древните римляни са били ненадминати майстори в строителството и инженерството, като най-емблематичният им принос вероятно са акведуктите. Тези все още функциониращи чудеса разчитат на уникален строителен материал – пуцоланов бетон, изключително здрав бетон, който придава на римските структури невероятната им устойчивост.

Дори днес една от техните най-забележителни постройки – Пантеонът, който остава непокътнат почти 2000 години, държи рекорда за най-голям купол от неармиран бетон в света.

Какво прави римския бетон толкова издръжлив?

Досега се смяташе, че тази устойчивост се дължи на специфичните му съставки: пуцолана – смес от вулканична пепел, наречена така по италианския град Поцуоли, където има значителни залежи от нея – и вар. Когато се смесят с вода, тези материали реагират, образувайки здрав бетон.

Но, както показват нови изследвания, това не е цялата история. През 2023 г. международен екип от учени, ръководен от Масачузетския технологичен институт (MIT), открива, че не само съставките на бетона са различни от предполагаемото, но и методите за смесването им също се различават.

Ключът към разкриването на тази загадка са малките бели парченца вар, които се намират в иначе добре смесения бетон. Преди това те се смятаха за резултат от лош контрол на качеството, но този аргумент не убеди специалистът по материалознание Адмир Масич от MIT.

„Идеята, че наличието на тези варови кластове е просто резултат от слабо качество на смесването, винаги ме е притеснявала“, казва Масич през януари 2023 г. „Ако римляните са влагали толкова много усилия в създаването на изключителен строителен материал, защо биха пренебрегнали качеството на крайния продукт? Трябваше да има още нещо.“

Откритието на „горещото смесване“

Масич и неговият екип, ръководени от инженерката Линда Сеймур от MIT, изследвали 2000-годишни проби от римски бетон, взети от археологическия обект Привернум в Италия. Те използвали широкоформатна сканираща електронна микроскопия, рентгенова спектроскопия и други усъвършенствани методи, за да анализират състава на варовите включения.

Стандартната теория гласи, че римският бетон се прави със загасена вар (калциев хидроксид), която се получава чрез смесване на вар с вода. Но анализът на екипа показва, че варовите включения в техните проби не отговарят на този метод. Вместо това римляните вероятно са смесвали негасена вар (калциев оксид) директно с пуцолана и водата при много високи температури, което е процес, който учените нарекоха „горещо смесване“.

„Ползите от горещото смесване са две“, обяснява Масич. „Първо, високата температура позволява химически реакции, които не биха били възможни със загасена вар, създавайки съединения, които засилват здравината на бетона. Второ, процесът значително намалява времето за втвърдяване и съхнене, което ускорява строителството.“

Но има и още един неочакван ефект: варовите включения придават на бетона изключителна способност за самовъзстановяване.

Когато в бетона се образуват пукнатини, те най-често преминават през варовите смеси, които имат по-голяма повърхност от другите частици. При контакт с вода, варта реагира и образува калциев разтвор, който впоследствие се втвърдява като калциев карбонат, запълвайки пукнатината и предотвратявайки нейното разрастване.

Този процес е наблюдаван в бетон от 2000-годишния гроб на Цецилия Метела, където пукнатините са били запълнени с калцит. Това може да обясни и защо римските бетонни морски стени са оцелели хилядолетия, въпреки постоянния удар на вълните.

Древната технология с приложение в съвремието

За да проверят откритията си, учените създали пуцоланов бетон по както древни, така и модерни рецепти, използвайки негасена вар. Те също така направили контролна проба без негасена вар и провели тестове за напукване. Както се оказало, бетонът с негасена вар напълно се възстановил от пукнатините в рамките на две седмици, докато контролният бетон останал напукан.

Екипът в момента работи върху комерсиализирането на този бетон като по-екологична алтернатива на съвременните бетонни смеси.

„Вълнуващо е да се мисли как тези по-издръжливи бетонни формулировки могат не само да удължат живота на строителните материали, но и да подобрят издръжливостта на 3D-печатния бетон“, споделя Масич.

Изследването е публикувано в Science Advances.