Вече знаем защо древноримският бетон издържа хиляди години

Древните римляни са били майстори в строителството и инженерството, като едни от най-известните им проекти са акведуктите. Тези все още функциониращи чудеса разчитат на уникален строителен материал: пуцоланов бетон.

Впечатляващо издръжлив материал, придаващ на римските конструкции изключителна здравина.

И до днес една от техните бележити постройки е Пантеонът. Все още е непокътнат, макар и на почти 2000 години. Държи рекорда за най-големия купол от неармиран бетон в света. 

Тази издръжливост обикновено се обяснява с неговите съставки. Единият компонент е пуцолана – смес от вулканична пепел. Другият компонент е вар. Пепелта е наречена така по името на италианския град Поцуоли, където се намират значителни залежи. 

Когато пуцоланата и варта се смесят с вода, те реагират и създават изключително здрав бетон.

Но това, както се оказва, не е цялата история. 

Международен екип от изследователи, ръководен от Масачузетския технологичен институт (MIT), 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 материалолога Адмир Масич от MIT.

Масич и екипът му, ръководен от строителния инженер от MIT Линда Сиймор, 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.

Един от въпросите е свързан с естеството на използваната вар. 

Стандартното разбиране за пуцолановия бетон е, че той включва гасена вар. Първо, варовикът се нагрява при високи температури, за да се получи силно реактивен каустичен прах, наречен негасена вар или калциев оксид. Когато негасената вар се смеси с вода, се получава гасена вар или калциев хидроксид – паста с по-ниска реактивност. 

Според теорията древните римляни са смесвали именно тази гасена вар с пуцолана.

Въз основа на анализа на екипа обаче, варовиковите парчета в пробите не съответстват на този метод. 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.

Горещото смесване има и друго 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. Това 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.

Сега екипът работи по пускането на този вид бетон на пазара като по-екологична алтернатива на съвременните бетони.

Изследването е публикувано в Science Advances.