Проіснувавши майже два тисячоліття, римські бетонні споруди широко вважаються визначними прикладами довговічної стародавньої інженерії. Дослідники часто пояснювали цю довговічність пуцолановою реакцією — хімічним процесом, що відбувається при з'єднанні вулканічного попелу, води та високореактивного вапна, що утворюють потужні сполучні речовини, які твердіють та зміцнюють бетон. Але нові дослідження показують, що за цим може ховатися щось більше.
Тепер група дослідників під керівництвом Пауло Монтейро з Каліфорнійського університету в Берклі та Сяохун Чжу, яка нині працює в Пекінському технологічному університеті, показала, що інший процес — карбонізація — також може робити важливий внесок у довговічність римського бетону. Карбонізація – це повільна, безперервна хімічна реакція між атмосферним вуглекислим газом (CO₂) та сполуками кальцію в бетоні. До цього дослідження вчені не мали можливості оцінити її вплив протягом тисячоліть.
Як повідомляється в журналі Science Advances, дослідники провели всебічний аналіз бетонної вигрібної ями на віллі Адріана — місці в Тіволі, Італія, яке датується II століттям нашої ери, — щоб розкрити механізми, що лежать в основі міцності цих споруд. Використовуючи передові методи 3D-візуалізації, включаючи багатомасштабну спектроскопію та томографію, вони показали, як мережі карбонату кальцію, утворені в результаті мінералізованої карбонізації, допомагали зв'язувати та ущільнювати давньоримський бетон з часом.
"Хоча пуцоланова реакція має фундаментальне значення, - сказав Монтейро, професор Вищої школи цивільного та екологічного будівництва, - наші результати показують, що карбонізація протягом тривалого періоду також підвищує міцність бетону і може допомогти йому герметизувати тріщини в міру старіння."
Монтейро пояснив, що кальцит - мінеральна форма карбонату кальцію, що міститься у вапняку й утворюється в результаті процесів гідратації та карбонізації, - допомагає заповнювати дрібні тріщини, пори та порожнечі в бетоні. Цей механізм цементування створює щільну та когезивну структуру, яка покращує передачу навантаження усередині матриці та обмежує проникнення води, сприяючи її довготривалій стабільності. Згодом безперервне зростання кальциту може допомогти закрити дрібні тріщини, обмежуючи подальше ушкодження.
Ці результати можуть стати орієнтиром для розробки бетонних матеріалів наступного покоління. "Кальцит потенційно може допомогти знизити вплив навколишнього середовища та механічних навантажень на сучасну бетонну інфраструктуру", - сказав Монтейро. "Це значно просуне розробку стійких та довговічних будівельних матеріалів у майбутньому."
Дослідники також сподіваються, що глибше розуміння римського бетону призведе до розробки низьковуглецевих цементів. Клінкер, інгредієнт, який використовується для виробництва стандартного цементу, в цей час завдає значної шкоди навколишньому середовищу: на кожну тонну виробленого клінкеру викидається 0,83 тонни вуглекислого газу.
"Розуміння того, як динаміка кристалізації карбонату кальцію пов'язує бетон і сприяє його довговічності, може дати нові уявлення про довгострокову мінералогічну еволюцію та природну карбонізацію сполучних речовин на основі вапна", — сказав Монтейро. "Це може послужити основою для нових стратегій створення довговічних систем з низьким вмістом клінкеру."
Він додав: "Це дослідження показує, як вивчення давніх інженерних методів може призвести до важливих відкриттів. Ми сподіваємося, що, розкривши римські секрети підвищення довговічності бетону, ми колись зможемо досягти сталого розвитку сучасної інфраструктури."
