Римский бетон приоткрывает свои тайны пытливому уму

Около 79 г. римский писатель Плиний Старший написал в своей «Натуралистической Истории», что бетонные структуры в гавани, подверженные постоянному воздействию солёной воды волн, становятся «единой каменной массой, неприступной для волн и изо дня в день сильнее».

Он не преувеличивал. В то время как современные морские бетонные конструкции разрушаются через несколько десятилетий, 2000-летние римские причалы и волноломы выдерживают это изпытание и по сей день, и теперь они прочнее, чем тогда, когда они были только построены. Геолог из университета Юты Мария Джексон изучает минералы и микроструктуру римского бетона, так же, как вулканический камень. Она и ее коллеги обнаружили, что фильтрация морской воды через бетон приводит к росту взаимного сцепления минералов, который придаёт бетону добавочную сплочённость . Результаты опубликованы в начале июля этого года в American Mineralogist.

Римский бетон и портландцемент

Римляне делали бетон, смешивая вулканический пепел с известью и морской водой, чтобы сделать раствор, в который затем включали измельчённые куски  вулканического камня, «агрегаты» в бетоне. Сочетание золы, воды и негашеной извести производит так называемую пуццоланическую реакцию, названную в честь города Поццуоли в Неаполитанском заливе. Римляне, возможно, взяли идею этой смеси от естественно (природно) зацементированных отложений вулканического пепла, называемых туфами, которые, как описано Плинием, распространены в этом районе.

Конгломератоподобный бетон использовался во многих архитектурных сооружениях, включая рынки Пантеона и Траяна в Риме. Массивные морские сооружения защищали гавани от открытого моря и служили обширными заграждениями для судов и складов.

Современный портландцементный бетон также использует горный агрегат (наполнитель), но с важным отличием: частицы песка и гравия предназначены быть инертными. Любая реакция с цементной пастой может образовывать гели, которые расширяются и разрушают бетон.

«Эта щелочная реакция кремнезема возникает во всем мире, и это одна из основных причин разрушения бетонных конструкций на портландцементе», - говорит Джексон.

Заново открыть римский бетон

Интерес Джексон к римскому бетону начался с праздника в Риме. Сначала она изучала туфы, а затем исследовала отложения вулканического пепла, вскоре увлеклась их ролью в создании замечательной прочности римского бетона.

Вместе с коллегами Джексон начала изучать факторы, которые сделали архитектурный бетон в Риме настолько устойчивым. Один из факторов, по ее словам, заключается в том, что минеральные разрастания между заполнителем и раствором предотвращают удлинение трещин, в то время как поверхности нереактивных заполнителей в портландцементе только помогают трещинам распространяться дальше.

Снимок бетона при помощи сканирующего электронного микроскопа, показывает присутствие тоберморита, который добавляет прочность бетону

В другом исследовании буровых кернов римской гавани, собранных проектом РОМАКОНС в 2002-2009 гг., Джексон и его коллеги обнаружили в морском растворе исключительно редкий минерал, глиноземистый тоберморит (аль-тоберморит - глинозёмистый силикат кальция). Минеральные кристаллы, образовавшиеся в частицах извести путем пуццолановой реакции при несколько повышенных температурах. Присутствие Аль-Тоберморита удивило Джексон. «Его очень сложно получить», - говорит она о минерале. Синтез его в лаборатории требует высоких температур и приводит лишь к получению небольшого количества.

Морская коррозия

Для нового исследования Джексон и другие исследователи вернулись к высверленным кернам ROMACONS, изучив их различными методами, включая рентгеновскую микродифракцию и анализ микрофлуоресценции на базовой линии источника света  в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Они обнаружили, что Al-тоберморит и связанный с ним цеолитный минерал, филлипсит, образуются в пемзе и порах  цементирующей матрицы. Из предыдущей работы команда знала, что пуццолановый процесс отверждения римского бетона был недолгим. Что-то должно было заставить минералы ещё долго расти при низкой температуре после того, как бетон отвердел. «Никто не произвел тоберморит при 20 градусах Цельсия», - говорит она. «О, кроме римлян!»

Слева направо: Нобумичи Тамура, Мари Джексон и Камелия Стэн в лаборатории Лоуренса Беркли. Январь 2017. Тамура и Стэн - ученые в Advanced Light

«Как геологи, мы знаем, что камни меняются, - говорит Джексон. «Изменение является постоянными для материалов земли. Итак, как изменения влияют на долговечность римских структур?

"Команда пришла к выводу, что, когда морская вода просачивалась через бетон в волноломы и в причалы, она растворяла компоненты вулканического пепла и позволяла вырастать новым минералам из высокощелочных выщелоченных жидкостей, в частности, а-тоберморита и филлипсита. Этот Al-тоберморит имеет богатые кремнием композиции, похожие на кристаллы, которые образуются в вулканических породах. Кристаллы имеют плоские формы, которые усиливают цементирующую матрицу. Блокирующие пластины повышают устойчивость бетона к хрупкому разрушению.

Джексон говорит, что этот коррозионно-подобный процесс, как правило, плох для современных материалов. «Мы смотрим на систему, которая противоречит всему, чего не нужно в цементном бетоне», - говорит она. «Мы смотрим на систему, которая процветает в открытом химическом обмене с морской водой».

Современный римский бетон

Учитывая преимущество долговечности римского бетона, почему он не используется чаще, особенно, если производство портландцемента приводит к значительным выбросам углекислого газа?

«Рецепт был полностью потерян, - говорит Джексон. Она широко изучила древнеримские тексты, но еще не раскрыла точных методов смешивания морского раствора, чтобы полностью воссоздать бетон.

«Римлянам повезло с типом скалы, с которой им пришлось работать», - говорит она. «Они заметили, что вулканический пепел вырабатывает цементы для производства туфа. У нас во многих странах мира нет таких камней, поэтому им должна быть сделана замена ».

Сейчас она работает с инженером-геологом Томом Адамсом, чтобы разработать рецепт замены, однако, используя природные материалы из западной части США. Морская вода набирается самой Джексон для ее экспериментов у пристани в Беркли, Калифорния.

Римский бетон требует времени для развития своей прочности в морской воде и отличается меньшей прочностью на сжатие, чем типичный портландцемент. По этим причинам маловероятно, что римский бетон может стать широко распространенным, но может быть полезным в конкретных условиях.

Недавно Джексон говорила о приливно-отливной лагуне, которая будет построена в Суонси, Соединенное Королевство, чтобы использовать приливные силы. Лагуна, по ее словам, должна будет работать в течение 120 лет, чтобы возместить затраты, связанные с её строительством. «Вы можете себе представить, что с тем, как мы сейчас строим, к этому моменту это будет масса стальной коррозии». С другой стороны, римский прототип бетона остаётся нетронутым на протяжении веков.

Джексон говорит, что, хотя исследователи ответили на многие вопросы о строительном растворе бетона, долгосрочные химические реакции в совокупных материалах остаются неисследованными. Она намерена продолжить работу Плиния и других римских ученых, которые усердно трудились над раскрытием секретов их бетона. «Римляне были обеспокоены этим, - говорит Джексон. «Если мы собираемся строить в море, мы тоже должны этим беспокоиться».

***

Мой канал на zen.yandex.ru