Древните римляни са били майстори в строителството и инженерството, като едни от най-известните им проекти са акведуктите и Пантеонът. И до днес, Пантеонът е една от техните най-забележителни постройки, все още непокътнат, макар и на близо 2000 години. Той държи рекорда за най-големия купол от неармиран бетон в света.
Тези все още функциониращи чудеса разчитат на уникален строителен материал: пуцоланов бетон. Той представлява впечатляващо издръжлив материал, придаващ на римските конструкции изключителна здравина.
Тази издръжливост обикновено се обяснява с неговите съставни елементи. Единият компонент е пуцоланът – смес от вулканична пепел, наречена така по името на италианския град Поцуоли, където се намират значителни залежи. Другият компонент е вар. Когато пуцоланът и варта се смесят с вода, те реагират и създават изключително здрав бетон.
Стандартното разбиране за пуцолановия бетон е, че той включва гасена вар. При този метод, първо, варовикът се нагрява при високи температури, за да се получи силно реактивен прах, наречен негасена вар или калциев оксид. Когато негасената вар се смеси с вода, се получава гасена вар (калциев хидроксид) – паста с по-ниска реактивност. Според тази теория, древните римляни са смесвали именно тази гасена вар с пуцолана.
Но това, както се оказва, не е цялата история.
Международен екип от изследователи, ръководен от Масачузетския технологичен институт (МИТ), установява, че римляните не само са използвали различни материали, но и различни техники за смесване.
Малки бели парчета вар са открити в иначе добре смесения бетон. Наличието на тези парченца доскоро се обясняваше с некачествено смесване или ниско качество на материалите, но това не беше логично за материаловеда Адмѝр Масич от МИТ, пише kaldata.com. Ако римляните са положили толкова усилие, за да създадат изключителен строителен материал, следвайки подробни рецепти, оптимизирани в продължение на векове, защо биха пренебрегнали производството на добре смесен краен продукт? Трябва да има нещо повече в тази история.
Масич и екипът му, ръководен от строителния инженер от МИТ Линда Сеймър, изследват 2000-годишни проби от римски бетон, взети от археологическия обект Привернум в Италия. Тези проби са подложени на сканираща електронна микроскопия, енергийно-дисперсионна рентгенова спектроскопия, прахова рентгенова дифракция и конфокално Раманово заснемане, за да се разбере по-добре структурата на варовиковите парчета.
Въз основа на анализа на екипа, варовиковите парчета в пробите не съответстват на метода с гасена вар. По-скоро бетонът вероятно е произвеждан чрез смесване на негасена вар директно с пуцолана и вода при високи температури, самостоятелно или в допълнение към гасената вар. Този процес, наречен „горещо смесване“, води до образуването на т.нар. варови класти. Един от въпросите е свързан с естеството на използваната вар.
Предимствата на горещото смесване са двойни:
- Позволява нови химични реакции: Когато бетонът се нагрява до високи температури и се използва негасена вар, това позволява химични реакции, невъзможни при използването на гасена вар. Създават се съединения, свързани с високи температури, които иначе не биха се образували.
- Ускорява втвърдяването: Повишената температура значително намалява времето за втвърдяване и свързване, ускорявайки всички реакции и позволявайки много по-бързо строителство.
Горещото смесване има и друго, изключително важно предимство: кластите на варта придават на бетона способности за самовъзстановяване.
Когато в бетона се образуват пукнатини, те водят до разцепване на варовиковите класти, които имат по-голяма повърхност от останалите частици в матрицата. Водата, попадайки в пукнатината, реагира с варта, образувайки разтвор, богат на калций, който изсъхва и се втвърдява като калциев карбонат. Той запълва пукнатината и предотвратява по-нататъшното ѝ разпространение.
Това е наблюдавано и в друг римски обект на 2000 години – гробницата на Цецилия Метела, където пукнатините в бетона са запълнени с калцит. Този механизъм обяснява и защо римският бетон в морските стени, построени преди 2000 години, е оцелял непокътнат под ударите на океана.
За да провери своите открития, екипът създава пуцоланов бетон по древни и съвременни рецепти, използвайки негасена вар. Направен е и контролен бетон без негасена вар. След тестовете за пукнатини се разбира, че бетонът с негасена вар се заздравява напълно в рамките на две седмици, докато контролният остава напукан.
„Вълнуващо е да мислим как тези по-издръжливи бетонни формули биха могли не само да удължат експлоатационния живот на тези материали, но и да подобрят издръжливостта на 3D-принтираните бетонни формули“, казва Адмѝр Масич.
