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 от бетон: Прочутият римски Пантеон, който има най-големия в света купол от неармиран бетон и е осветен през 128 г. от н.е., все още е непокътнат, а някои древноримски акведукти и 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 претърпяли особено тежки условия, като докове, канали и морски стени, или такива, изградени на сеизмично активни места.

Сега екип от изследователи от Масачузетския технологичен институт, Харвардския университет и лаборатории в Италия и Швейцария е постигнал напредък в тази област, откривайки древни стратегии за производство на бетон, които включват няколко ключови самовъзстановяващи се функции. Откритията са публикувани в списание Science Advances, в статия на професора по гражданско и екологично инженерство от Масачузетския технологичен институт (MIT) Адмир Масич (Admir Masic) и негови колеги.

В продължение на много години изследователите са предполагали, че ключът към дълготрайността на древния бетон се основава на една съставка: пуцоланов материал, какъвто е вулканичната 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 интригуван от тази особеност", разказва Масич. "Те не се срещат в съвременните бетонни формули, така че защо присъстват в тези древни материали?"

Новото изследване показва, че тези малки варовикови включения са придавали на бетона неподозирана досега способност за самовъзстановяване.

"Идеята, че наличието на тези варовикови късчета се дължи просто на нисък контрол на качеството, винаги ме е притеснявала", споделя Масич. "Ако римляните са полагали толкова много усилия, за да създадат един изключителен строителен материал, следвайки всички подробни рецепти, които са били оптимизирани в продължение на много векове, защо ще са толкова небрежни, за да не гарантират производството на добре смесен краен продукт? Трябва да има нещо повече в тази история."

При по-нататъшното охарактеризиране на тези варовикови класти с помощта на мултимащабни изображения с висока разделителна способност и техники за химическо картографиране, разработени за първи път в изследователската лаборатория на Масич, изследователите получават нова информация за потенциалната функция на тези варовикови класти.

В миналото се е приемало, че при влагането на вар в римския бетон тя първо се е свързвала с водата, 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 класти.

"Възможно ли е римляните да са използвали директно вар в нейната по-реактивна форма, известна като негасена вар?", се пита Масич.

Изследвайки проби от този древен бетон, той и екипът му установяват, че белите включения наистина са от различни форми на калциев карбонат. Спектроскопското изследване пък дава доказателства, че те са се образували при екстремни температури, както може да се очаква 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 в основата на изключителната здравина на римския бетон.

"Ползите от горещото смесване са две", обяснява 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 високи 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 клъстери развиват характерна крехка архитектура от наночастици, създавайки лесно чуплив и реактивен източник на калций, който, както предполага екипът, би могъл да осигури важна самовъзстановяваща се функция. Веднага щом в бетона започнат да се образуват малки пукнатини, те могат да преминат преференциално през варовиковите класти с висока повърхност. 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 да се разпространят. Предишна подкрепа за тази хипотеза се намира в изследването на други образци от римски бетон, при които се наблюдават 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.

_{След отливането вдъхновените от римската епоха образци от горещо смесен бетон бяха механично счупени и след това отново 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 Раманова спектроскопия (F).. Кредит: Admir Masic et al.}

"Интересно е да предположим как тези по-издръжливи бетонни формули биха могли да увеличат не само експлоатационния живот на тези материали, но и как биха могли да подобрят издръжливостта на 3D-принтираните бетонни формули", посочва Масич.

Той се надява, че чрез удължаването на експлоатационния живот и разработването на по-леки бетонни форми тези усилия биха могли да допринесат за намаляване на въздействието върху околната среда на производството на цимент, което понастоящем представлява около 8% от глобалните емисии на парникови газове. Заедно с други нови формули, като например бетон, който може действително да абсорбира въглероден диоксид от въздуха - друг настоящ изследователски фокус на лабораторията на Масик - тези подобрения могат да помогнат за намаляване на глобалното въздействие на бетона върху климата.

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 DOI: 10.1126/sciadv.add1602

Riddle solved: Why was Roman concrete so durable?, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY