Учени разкриха хилядолетната мистерията на римския бетон

Стоманобетонът е основата на съвременния застроен свят и част от основата на цивилизацията каквато я познаваме. Въпреки това съвременният бетон има своите недостатъци – с течение на времето водата си проправя път, достигайки до арматурата и предизвиквайки нейното ръждясване, тя впоследствие се разширява и предизвиква образуването на пукнатини в околния бетон.

За разлика от съвременния стоманобетон, древните структури, изградени от римски бетон обаче, са оцелели хилядолетия и то без наличието на арматура в тях.

Как древните римляни са успели да изградят структури, които могат да издържат 2000 години, оцелявайки дори в най-суровите морски условия?

Макет на Древен Рим, М 1:250

Бетонът се появява в древен Рим през трети век пр.н.е. Наричан opus caementicium, той съдържа три основни съставки – вар, вулканична прах и вода. С негова помощ римляните изграждат храмове, бани, акведукти, мостове.

Куполът на Пантеона, Рим

Пантеонът, който е все още непокътнат 2000 години след като е построен, притежава най-големия купол в света от неармиран бетон.

Защо обаче римският бетон е толкова издръжлив?

Върху този въпрос учените работят от дълго време. До преди 10 години изследователи твърдят, че издръжливостта на бетона се крие в добавената съставка от римляните – вулканичната пепел. Но самият механизъм как точно работи това на практика не беше ясен на учените до днес.

Ново изследване, ръководено от Масачузетския технологичен институт и Харвард, внася повече яснота за това как точно работи изгубената технология на римляните. Учените проучват детайлно бетона от все още запазените стени на древния град Привернум, разположен южно от Рим, Италия.

Елементна карта на голяма площ (калций: червено, силиций: синьо, алуминий: зелено) на 2 см фрагмент от древноримски бетон (вдясно), взет от археологическия обект Privernum, Италия (вляво). В долната част на изображението ясно се вижда богата на калций варова класта (в червено), която е отговорна за уникалните самовъзстановяващи се свойства на този древен материал. Източник: Изследователите

С помощта на анализ на елементно картографиране (със сканиращ електронен микроскоп), всъщност експеримента разкрива присъствието на малки бели парченца от това, което римляните наричат – „реликтов варовик“. Тези класти ясно се открояват в текстурата на бетона и визуално контрастират на останалите добре смесени компоненти, образувани от сложни химически съединения с преобладаващо съдържание на калций, силиций и алуминий.

Част от римската градска стена на Empuries, Испания. 1 век пр.н.е. Основата на стената е направена от варовити скали, докато горната част е от римски бетон

Исторически се смята, че римският бетон е бил направен чрез смесване на вар с вода чрез процес на гасене, но според учените днес, този процес не би трябвало да доведе до наблюдаваното образуване на варовиковите класти.

„Идеята, че наличието на тези варовикови късчета се дължи просто на нисък контрол на качеството, винаги ме е притеснявала“, казва Адмир Масич, професор по гражданско и екологично инженерство в Масачузетския технологичен институт. „Ако римляните са положили толкова много усилия, за да създадат един изключителен строителен материал, защо биха положили толкова малко усилия, за да гарантират производството на добре смесен краен продукт? Трябва да има нещо повече в тази история.“

След забелязването на наличието на следи, които биха могли да се образуват само при високи температури, главният ръководител на изследването стига до идеята, че е възможно варта да е използвана в по-реактивната си форма на негасена вар, а процесът да е така нареченото термично (горещо) смесване.

„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. Второ, тази повишена температура значително намалява времето за втвърдяване и свързване, тъй като всички реакции се ускоряват, което позволява много по-бързо строителство.“

Експертите добавят, че подходът/обработката под въздействието на високи температури, не само помага на сместа да стегне, но и значително намалява  съдържанието на вода, спомагайки качествата на бетона.

Екипът стига до заключението, че горещото смесване с негасена вар всъщност е бил ключът към свръхустойчивия характер на римския бетон.

А защо всъщност е наричан и „самовъзстановяващ се“ римски бетон?

Най-впечатляващото е, че когато римския бетон се пропука той има способността сам да се заздравява и укрепва, напълно възстановявайки своите пукнатини.

Състав на римския бетон

Големите варовикови класти представляват най-големите частици в бетонната матрица и заемат най-голяма площ. Най-забележително е, че местата на образуване на пукнатини почти винаги се появяват около мястото, където са разположени именно варовиковите частици.

Следователно след като попадне вода от външни източници като дъжд или влага, материалът може да реагира с нея и да формира калциев карбонат, който впоследствие  запълва пукнатините и втвърдява още повече композитния материал. Тази реакция естествено “самовъзстановява” пукнатините, преди да могат да се разширят и разпространят. Интересен момент е, че така римския бетон се втвърдява под водата и поради тази причина е бил използван при изграждането на множества пристанища и акведукти.

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.

Съвременни експерименти за самовъзстановяващ се цимент

Всъщност тайната зад здравината и издръжливостта на римския бетон е изгубена след падането на Римската империя и е преоткрита чак днес. Вдъхновени от потенциала на римската технология, след разкриването на загадката, авторите споделят следващата стъпка – а именно приложението на римската версия на древния материал и в наши дни. Удължаването на функционалния живот на бетонните структури не само би допринесло за значителното намаляване на глобалното въздействие на бетона върху климата, но и спомага за изграждането на по-издържливи сгради.

Повече за доклада на учените прочетете тук