Senie romieši bija celtniecības un inženierzinātņu meistari, ko, iespējams, visvairāk pārstāvēja akvedukti. Šie joprojām funkcionējošie brīnumi balstās uz unikālu būvmateriālu: pucolāna betonu, pārsteidzoši izturīgu betonu, kas piešķīra romiešu konstrukcijām to neticamo spēku.
Pat šodien vienai no viņu ēkām – Panteonam, kas joprojām ir neskarts un gandrīz 2000 gadus vecs – pieder rekords par pasaulē lielāko nedzelzsbetona kupolu.
Šī betona īpašības parasti ir saistītas ar tā sastāvdaļām: pucolānu, vulkānisko pelnu maisījumu, kas nosaukts pēc Itālijas pilsētas Pocuoli, kur var atrast lielas tā nogulsnes, un Laims. Sajaucot ar ūdeni, abi materiāli var reaģēt, veidojot stipru betonu.
Bet, kā izrādās, tas nav viss stāsts. 2023. gadā starptautiska pētnieku grupa Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (MIT) vadībā atklāja, ka materiāli ne tikai nedaudz atšķīrās, nekā mēs domājām, bet arī to sajaukšanas metodes.
Smēķēšanas pistoles bija mazi balti kaļķa gabaliņi, kurus varēja atrast labi sajauktā betonā. Šo gabalu klātbūtne iepriekš tika attiecināta uz sliktu sajaukšanu vai materiāliem, taču materiālu zinātniekam Admiram Masekam no MIT tam nebija jēgas.
“Ideja, ka šo kaļķakmens bloku klātbūtne ir vienkārši sliktas kvalitātes kontroles dēļ, mani vienmēr ir traucējusi.” Maceks teica Vēl 2023. gada janvārī.
“Ja romieši pielika tik daudz pūļu, lai izveidotu augstākās kvalitātes būvmateriālu, ievērojot visas detalizētās receptes, kas tika pilnveidotas daudzu gadsimtu laikā, kāpēc viņi pielika tik maz pūļu, lai nodrošinātu labi sajauktu galaproduktu? Ir jābūt vairāk šim stāstam.”
Macek un komanda, ko vadīja MIT būvinženiere Linda Seymour, pētīja 2000 gadus vecus romiešu betona paraugus no Perevernum arheoloģiskās vietas Itālijā. Šie paraugi tika pakļauti liela laukuma skenējošo elektronu mikroskopijai, enerģiju izkliedējošai rentgenstaru spektroskopijai, pulvera rentgenstaru difrakcijai un konfokālai Ramana attēlveidošanai, lai labāk izprastu kaļķainās masas.
Viens no jautājumiem, kas man radās, bija izmantotā kaļķa būtība. Pucolāna betona standarta izpratne ir tāda, ka tas tiek izmantots Hidratēts kaļķis. Pirmkārt, kaļķakmens tiek karsēts augstā temperatūrā, lai iegūtu ļoti reaģējošu kaustisku pulveri, ko sauc par kaļķakmeni Nedzēsts kaļķisVai kalcija oksīds.
Sajaucot dzēstos kaļķus ar ūdeni, veidojas dzēstie kaļķi jeb kalcija hidroksīds: mazāk reaģējoša un mazāk kodīga pasta. Saskaņā ar teoriju, tieši šo hidratēto kaļķi senie romieši sajauca ar pucolānu.
Pamatojoties uz komandas analīzi, viņu paraugos atrastie kaļķu bloki neatbilst šai metodei. Alternatīvi, romiešu betons var būt izgatavots, sajaucot nedzēstos kaļķus tieši ar pucolānu un ūdeni ārkārtīgi augstā temperatūrā, atsevišķi vai papildus hidratētajam kaļķam. Šo procesu komanda sauc par “karsto sajaukšanu”, kas rada kaļķu drupatas.
“Karstās sajaukšanas priekšrocības ir divkāršas.” Maceks teica.
“Pirmkārt, kad pildvielu betons tiek uzkarsēts līdz augstām temperatūrām, tas ļauj veidoties ķīmiskām vielām, kas nav iespējamas, ja izmantojat tikai hidratētu kaļķi, radot augstas temperatūras savienojumus, kas citādi nevar veidoties. Otrkārt, šī paaugstinātā temperatūra ievērojami samazina sacietēšanu un sacietēšanas laiki, jo visas reakcijas tiek paātrinātas, ļaujot uzbūvēt daudz ātrāk.
Tam ir vēl viena priekšrocība: kaļķa drupatas piešķir betonam ievērojamu pašatveseļošanās spēju.
Kad betonā veidojas plaisas, tās dod priekšroku kaļķu blokiem, kuru virsmas laukums ir lielāks nekā citām matricas daļiņām. Kad ūdens nokļūst plaisā, tas reaģē ar kaļķiem, veidojot ar kalciju bagātu šķīdumu, kas izžūst un sacietē kā kalcija karbonāts, atkal salipinot plaisu un neļaujot tai tālāk izplatīties.
šis Tas ir pamanīts Betonā no citas 2000 gadus vecas vietas, Sesīlijas Metellas kapa, kur betona plaisas tika aizpildītas ar kalcītu. Tas varētu arī izskaidrot, kāpēc romiešu betons no jūras sienām, kas celtas pirms 2000 gadiem, tūkstošiem gadu ir palicis neskarts, neskatoties uz pastāvīgo okeānu dauzīšanu.
Tāpēc komanda pārbaudīja savus atradumus, izgatavojot pucolāna betonu pēc senām un modernām receptēm, izmantojot dzēstos kaļķus. Viņi arī izgatavoja kontroles betonu bez dzēstiem kaļķiem un veica plaisāšanas testus. Protams, saplaisājušais kaļķakmens betons tika pilnībā sacietējis divu nedēļu laikā, bet kontroles betons palika saplaisājis.
Komanda tagad strādā, lai pārdotu savu betonu kā videi draudzīgāku alternatīvu pašreizējam betonam.
“Ir aizraujoši domāt par to, kā šīs izturīgākās betona kompozīcijas var palielināt ne tikai šo materiālu kalpošanas laiku, bet arī to, kā tās var uzlabot 3D drukāto betona kompozīciju izturību.” Maceks teica.
Pētījums tika publicēts Zinātnes attīstība.
Šī raksta versija pirmo reizi tika publicēta 2023. gada janvārī.
