Senovės romėnai buvo statybos ir inžinerijos meistrai, bene garsiausiai juos reprezentavo akvedukai. Ir tie vis dar funkcionalūs stebuklai remiasi unikalia statybine medžiaga: pucolaniniu betonu, įspūdingai patvariu betonu, suteikusiu romėnų konstrukcijoms neįtikėtiną tvirtumą.
Net ir šiandien vienai iš jų konstrukcijų – vis dar nepažeistam ir beveik 2000 metų senumo Panteonui – priklauso didžiausio pasaulyje negelžbetonio kupolo rekordas.
Šio betono savybės dažniausiai buvo priskiriamos jo sudedamosioms dalims: pucolanai, vulkaninių pelenų, pavadinto Italijos miesto Pocuolio, kuriame galima rasti nemenką jo telkinį, ir kalkių mišinys. Sumaišytos su vandeniu, abi medžiagos gali reaguoti ir sudaryti tvirtą betoną.
Tačiau tai, kaip paaiškėjo, dar ne visa istorija. 2023 m. tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Masačusetso technologijos instituto (MIT), nustatė, kad medžiagos ne tik šiek tiek skiriasi nuo to, ką galėjome manyti, bet skiriasi ir jų maišymo būdai.
Rūkymo pistoletai buvo maži, balti kalkių gabaliukai, kuriuos galima rasti kitaip gerai sumaišytame betone. Šių gabalėlių buvimas anksčiau buvo siejamas su prastu maišymu ar medžiagomis, tačiau tai nebuvo prasminga medžiagų mokslininkui Admirui Masic iš MIT.
„Mane visada erzino mintis, kad šių kalkių sluoksnių buvimas buvo tiesiog priskiriamas žemai kokybės kontrolei“, – sakė Masicas 2023 m. sausį.
„Jei romėnai įdėjo tiek pastangų kurdami išskirtinę statybinę medžiagą, vadovaudamiesi išsamiais receptais, kurie buvo optimizuoti per daugelį amžių, kodėl jie dėjo tiek mažai pastangų, kad užtikrintų gerai sumaišyto galutinio produkto gamybą. ? Šioje istorijoje turi būti daugiau“.
Masic ir komanda, vadovaujama MIT statybos inžinierės Lindos Seymour, atidžiai ištyrė 2000 metų senumo romėniško betono pavyzdžius iš Privernum archeologinės vietovės Italijoje. Šie mėginiai buvo tiriami didelio ploto skenuojančia elektronų mikroskopija ir energiją dispersine rentgeno spindulių spektroskopija, miltelių rentgeno spindulių difrakcija ir konfokaliniu Ramano vaizdu, kad būtų galima geriau suprasti kalkių klastus.
Vienas iš klausimų buvo naudojamas kalkių pobūdis. Standartinis pucolaninio betono supratimas yra tas, kad jame naudojamos gesintos kalkės. Pirma, kalkakmenis kaitinamas aukštoje temperatūroje, kad susidarytų labai reaktyvūs kaustiniai milteliai, vadinami negesintomis kalkėmis arba kalcio oksidu.
Sumaišius negesintas kalkes su vandeniu, susidaro gesintos kalkės arba kalcio hidroksidas: šiek tiek mažiau reaktyvi, mažiau šarminė pasta. Remiantis teorija, senovės romėnai sumaišė šias gesintas kalkes su pucolanomis.
Remiantis komandos analize, kalkių klaidos jų mėginiuose neatitinka šio metodo. Atvirkščiai, romėniškas betonas tikriausiai buvo pagamintas maišant negesintas kalkes tiesiogiai su pucolanomis ir vandeniu, esant ypač aukštai temperatūrai, atskirai arba kartu su gesintomis kalkėmis – procesą, kurį komanda vadina „karštu maišymu“, dėl kurio susidaro kalkių klaidos.
„Karšto maišymo nauda yra dviguba“, – sakė Masicas.
„Pirma, kai bendras betonas pašildomas iki aukštų temperatūrų, tai leidžia daryti chemines medžiagas, kurios nėra įmanomos, jei naudojate tik gesintas kalkes, todėl susidaro su aukšta temperatūra susiję junginiai, kurie kitaip nesusidarytų. Antra, ši padidinta temperatūra žymiai sumažina kietėjimą ir kietėjimą kartų, nes visos reakcijos yra pagreitintos, todėl statyba vyksta daug greičiau.
Ir tai turi dar vieną privalumą: kalkių sluoksniai suteikia betonui nepaprastų savigydos gebėjimų.
Kai betone susidaro įtrūkimai, jie pirmiausia nukeliauja į kalkių sluoksnius, kurių paviršiaus plotas didesnis nei kitų matricos dalelių. Kai vanduo patenka į plyšį, jis reaguoja su kalkėmis ir susidaro tirpalas, kuriame gausu kalcio, kuris džiūsta ir sukietėja kaip kalcio karbonatas, suklijuodamas plyšį ir neleisdamas jam toliau plisti.
Tai buvo pastebėta betone iš kitos 2000 metų senumo vietos – Caecilia Metella kapo, kur betono įtrūkimai buvo užpildyti kalcitu. Tai taip pat galėtų paaiškinti, kodėl prieš 2000 metų pastatytas romėnų betonas išliko nepaliestas tūkstantmečius, nepaisant nuolatinio vandenyno plakimo.
Taigi, komanda išbandė savo atradimus gamindama pucolaninį betoną pagal senovinius ir šiuolaikinius receptus, naudojant negesintas kalkes. Jie taip pat pagamino kontrolinį betoną be negesintų kalkių ir atliko plyšių bandymus. Žinoma, įtrūkęs negesintas betonas visiškai sugijo per dvi savaites, tačiau kontrolinis betonas liko įtrūkęs.
Komanda dabar siekia komercializuoti savo betoną kaip ekologiškesnę alternatyvą dabartiniams betonams.
„Įdomu galvoti apie tai, kaip šios patvaresnės betono formulės galėtų prailginti ne tik šių medžiagų tarnavimo laiką, bet ir kaip tai galėtų pagerinti 3D spausdintų betono formų patvarumą“, – sakė Masicas.
Tyrimas buvo paskelbtas m Mokslo pažanga.
Šio straipsnio versija pirmą kartą buvo paskelbta 2023 m. sausio mėn.
