Древнеримский бетон раскрывает свои секреты

В поисках технологии увеличения прочности и устойчивости бетона, международная группа геологов и инженеров обратилась к опыту Древнего Рима: построенные тогда бетонные сооружения пережили уже два тысячелетия.

Ученые работали с помощью «Новейшего источника излучения»(Advanced Light Source, ALT) — cпециализированного источника синхротронного излучения третьего поколения, одного из самых ярких в мире источников ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. Он находится в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. На ALT они изучили мелкомасштабную структуру римского бетона.

Впервые было описано, как сверхустойчивое соединение – кальциево-алюминиево-силикатный гидрат (C-A-S-H) – связывало один из самых прочных материалов в истории западной цивилизации.

Технологический процесс изготовления портландцемента (ключевого ингредиента бетона) требует много топлива для сжигания известняка и глин при температуре 1,450°С.

Каждый год этот процесс дает 7% выбросов СО2 по всему миру.

Производство же извести для римского бетона требует более низких температур (на 30% ниже).

Исследование римского бетона

Исследовательскую группу возглавляли Джексон и Паулу Монтейру (Paulo Monteiro), профессор строительной техники и экологических технологий в Беркли. Они изучили образцы римского бетона, взятые из древнего волнолома на дне Поццуольского залива (к западу от Неаполя).

Бетон был излюбленным строительным материалом в Римской империи. Его использовали при строительстве таких памятников, как Пантеон, а также верфей, волноломов и других портовых сооружений. Особенно ученых заинтересовало, как подводные бетонные конструкции римлян выдерживали контакт с солёной водой.

Рецепт римского бетона был записан около 30 года до н.э. Витрувием. (Не такой уж) секретный ингредиент – это вулканический пепел, который римляне смешивали с известью для изготовления цементного строительного раствора.

Этот раствор, вместе камнями (вулканический туф), римляне заливали в деревянные формы, уже погруженные в воду. Они решили не бороться с морской стихией, а приручить ее, сделав морскую воду составным элементом бетона.

Ученые описали крайне редкий минерал – тоберморит алюминия – один из гидросиликатов кальция (формула — Al Ca5Si6O16(OH)2•4H2O), который образуется при химической реакции цемента с водой. «Наше исследование впервые рассмотрело механические свойства этого минерала».

Почему римский бетон перестали использовать?

«Римская империя вступила в период упадка, и морская торговля сократилась. Также возможно, что первоначальные сооружения оказались настолько хорошими, что заменять их не требовалось», — рассказывает Джексон.

При всей своей прочности римский бетон вряд ли заменит современный – ему нужно слишком много времени, чтобы затвердеть. Но в некоторых странах, где имеются большие запасы вулканического пепла, возрождение этой технологии может быть экономически оправданно – особенно там, где мало ресурсов золы-уноса (побочный продукт сжигания угля, который часто используется в производстве современного экологически чистого бетона).

«Сейчас на Земле золы-уноса не хватит, чтобы заменить даже половину используемого портландцемента. Наша идея заключается в том, чтобы найти местную альтернативу – что-то вроде древнеримского вулканического пепла. Переход на местные материалы поможет на 40% сократить производство портландцемента», — заявил Монейру.

Первоначальное финансирование проект получил от Научно-технологического университета имени короля Абдуллы (Саудовская Арабия). В этой ближневосточной стране – «просто горы вулканического пепла», годного для производства цемента, рассказал Монейру.

Помимо НТУКА, исследование спонсировали Фонд Лёбовской библиотеки классики, Гарвардский университет и научный отдел Министерства энергетики США. Образцы римского бетона были получены Мари Джексон в ходе проекта «Изучение римского морского бетона» (Roman Maritime Concrete Study, ROMACONS), под эгидой научно-исследовательского отдела итальянской компании Italcementi. Для анализа бетона ученые также воспользовались синхротроном третьего поколения BESSY (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlun), Берлин.

Данные исследования будут опубликованы в Journal of the American Ceramic Society и American Mineralogist.
На фото: срез образца римского бетона с морского дна и кристаллы Al-тоберморита под электронным микроскопом.
По материалам пресс-релиза Калифорнийского университета в Беркли.

Современные технологии из вулканического туфа

Ученые разработали современные технологии изготовления кирпичей из вулканического туф.

Ученые запланировали использовать вулканический пепел и туф, который образуется после извержения вулканов, в изготовлении кирпича. Уже изготовлен 1-й вулканический кирпич на основе пепла с добавлением песка и цемента.

В изготовлении кирпичей можно задействовать пепел, который засыпает обширные территории после вулканических извержений. Известно, что вулканический пепел- один из продуктов измельчения магмы. Состоит он из частей песка и пыли менее двух миллиметров в диаметре. Возникает в процессе извержения вулкана, когда пепел выбрасывается в воздух, а затем осыпается на земле. Пепел может довольное длительное время быть во взвешенном состоянии в атмосфере, вызывая такие оптические явления как гало. Сегодня идея производства кирпичей из пепла находится в стадии изучения. 1 «вулканический» кирпич из цемента и песка уже сделан.

Извержение чилийского вулкана Пуйеуэ принесло множество неприятностей Аргентинской Республике. Первый удар перед началом зимнего сезона принял на себя горнолыжный курорт Сан-Карлос-де-Бароличе, на который со всей мощью обрушился вулканический пепел, принесенный ветром. Пострадал и город Ла-Ангостура, который находится всего лишь в 40км от извергающегося вулкана. По данным местного муниципалитета, в городе и его окрестностях собрано примерно 4, 5 млн м3 пепла, он может оказаться ценным сырьем в производстве кирпича.

Еще в древней Армении вулканический пепел и образующийся туф как стройматериал для полнотелого кирпича и блоков издавна был популярен среди жителей. И не удивительно, ведь прочность кирпича из вулканического пепла аналогична прочности самого лучшего современного кирпича, а возможно и больше.

Весь парадокс заключался в том, что обожженный кирпич считался привычным стройматериалом, а кирпич из туфа, тонкостенные здания из которого могут стоять многие столетия, применять для больших городских зданий было нельзя. Его уделом были малоэтажные дома.

Ученые из Аргентины предложили целый ряд инновационных технологий, позволяющих без значительных затрат применять вулканический туф для производства кирпичей. Решение относительно пригодности вулканического кирпича для строительства должны вынести эксперты Нац. института пром технологий в Аргентине.

Подробнее о скальных поселениях читайте в нашей статье про Кандован — иранскую скальную деревню, а о строительстве из вулканических материалов — в материале про японский дом из пеплоблока.