Группа ученых из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и лабораторий в Италии и Швейцарии открыла древние методы производства бетона, которые включали в себя несколько ключевых функций самовосстановления. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

В течение многих лет исследователи предполагали, что ключом к долговечности древнего бетона был один ингредиент — вулканический пепел из района Поццуоли в Неаполитанском заливе. Этот особый вид золы развозили по всей Римской империи для использования в строительстве. Архитекторы и историки того времени описывали ее как ключевой ингредиент для бетона при строительстве сооружений.

Образцы древнего бетона также содержат небольшие ярко-белые минеральные элементы, которые легко идентифицируются как частицы извести — еще одного ключевого компонента древней бетонной смеси. Ученые предполагает, что именно известь придала римскому бетону способность к самовосстановлению.

Исторически предполагалось, что когда известь добавлялась в римский бетон, она сначала смешивалась с водой с образованием высокореактивного пастообразного материала в процессе, известном как гашение. Но сам по себе этот процесс не мог объяснить присутствие частиц извести. Ученые задались вопросом: «Возможно ли, что римляне использовали известь в ее более реакционной форме, известной как негашеная?»

Исследователи определили, что белые вкрапления состоят из различных форм карбоната кальция. Спектроскопическое исследование показало, что они образовались при экстремальных температурах, в процессе экзотермической реакции, вызванной использованием в бетонной смеси негашеной извести вместо или в дополнение к гашеной. Команда пришла к выводу, что горячее смешивание было ключом к сверхпрочной природе древнего бетона.

Горячее смешивание имеет два преимущества. Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, производятся соединения, которые не образовались, если бы использовалась только гашеная известь. Во-вторых, повышенная температура значительно сокращает время отверждения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство.

В процессе горячего смешивания частицы извести образуют характерно хрупкую архитектуру наночастиц, создавая легко ломающийся и реактивный источник кальция, который, как предположила команда ученых, может обеспечить самовосстановление. Как только в бетоне начинают образовываться крошечные трещины, они могут проходить через частицы извести с большой площадью поверхности. Затем этот материал может реагировать с водой, создавая насыщенный кальцием раствор, который способен перекристаллизовываться в карбонат кальция и быстро заполнять трещину, или реагировать с пуццолановым пеплом для дальнейшего укрепления композитного материала. Эти реакции происходят спонтанно и автоматически заживляют трещины до их распространения.

Чтобы доказать, что это действительно был механизм, ответственный за долговечность римского бетона, команда изготовила образцы горячего бетона, которые включали как древние, так и современные рецептуры, преднамеренно надкололи их, а затем пропустили через трещины воду.

В течение двух недель трещины в римском бетоне полностью «зажили» и перестали пропускать воду. Идентичный кусок бетона, изготовленный без негашеной извести по современным рецептам, не срастался и пропускал воду, продолжая постепенно разрушаться.

Теперь команда работает над коммерциализацией «римского» цементного материала.

По мнению исследователей, более прочные составы бетона могут не только увеличить срок службы материалов, но и повысить долговечность составов бетона, напечатанных на 3D-принтере. Увеличение срока службы и разработка более легких бетонных форм позволят снизить воздействие производства цемента на окружающую среду, на которое приходится около 8% глобальных выбросов парниковых газов. Наряду с другими новыми составами, такими как бетон, который может поглощать углекислый газ из воздуха, раскрытие секрета древнеримского бетона уменьшит глобальное воздействие бетона на климат.