Со временем бетон трескается и крошится. Что ж, большинство бетонов трескается и крошится. Конструкции, построенные в Древнем Риме, до сих пор стоят, демонстрируя удивительную долговечность, несмотря на условия, которые могли бы разрушить современный бетон.
Одним из таких сооружений является большая цилиндрическая гробница дворянки I века до нашей эры. Сесилия Метелла. Новое исследование показывает, что качество бетона ее гробницы может превосходить качество бетона ее современных мужских памятников из-за вулканического заполнителя, который выбрали строители, и необычных химических взаимодействий с дождем и грунтовыми водами с этим заполнителем на протяжении двух тысячелетий. /П> 
Строительство этого инновационного и прочного памятника и достопримечательности на Виа Аппиа свидетельствует о том, что к нему пользовались большим уважением , - говорит Мари Джексон, доцент кафедры геологии и геофизики Университета Юты, и структура бетона 2050 лет спустя отражает сильное и устойчивое присутствие . Исследование было опубликовано в Журнале Американского керамического общества. .
Кем была Сесилия Метелла?
Могила Сесилии Метеллы является достопримечательностью древнеримской дороги, известной как Аппиева дорога. Он состоит из башни в форме барабана, стоящей на квадратном основании, общей высотой около 21 метра и диаметром 29 метров. Построенная около 30 г. до н.э., при переходе от Римской республики к Римской империи во главе с императором Августом, гробница считается одним из наиболее хорошо сохранившихся памятников на Аппиевой дороге (в 14 веке к гробнице был построен замок) .
Сама Сесилия была членом богатой семьи, дочерью римского консула. Она была невесткой Марка Лициния Красса, римского полководца и государственного деятеля, который, как известно, заключил триумвиратный союз с Юлием Цезарем и Помпеем.
О жизни Сесилии мало что известно, но непреходящие размеры ее могилы на протяжении веков привлекали внимание посетителей, в том числе лорда Байрона, написавшего о могиле в Паломничестве Чайлд-Гарольда в начале 19 века. Описав похожее на крепость сооружение, Байрон спрашивает:
Джексон посетил гробницу в 2006 году вместе с археологом Дотторесса Лизой Джанмикеле и с разрешения Soprintendenza Archeologia di Roma собрать небольшие пробы раствора для анализа. Это был очень жаркий июньский день , говорит он, но когда мы спустились по ступенькам в могильный коридор, воздух стал очень прохладным и сырым . Он отметил компактные, связные и почти идеально сохранившиеся кирпичные стены, а также обнажение почти водонасыщенной вулканической породы в основании. Атмосфера была очень спокойной , добавляет он, за исключением порхания голубей в открытом центре круглой конструкции .
Что такое римский бетон?
Прежде чем вдаваться в подробности, давайте ориентируемся в терминологии бетона. Если вы пройдете по тротуару, вы увидите, что бетон состоит из заполнителя (песчаника и гравия) и цементного вяжущего. Цемент в современном тротуаре, вероятно, представляет собой портландцемент, который производится путем нагревания известняка и глинистых минералов в печи и добавления небольшого количества гипса.
Гробница является примером усовершенствованных технологий бетонного строительства позднего республиканского Рима, не содержащих цемент. Эти технологии описал архитектор Витрувий во время строительства гробницы Цецилии Метеллы. Строительство толстых стен из кирпичей или агрегатов вулканической породы, соединенных раствором из гашеной извести и вулканической тефры (фрагментов пористого стекла и кристаллов эксплозивных извержений), привело бы к возникновению структур, которые в течение длительного периода времени не могли бы свернуть .
Слова Витрувия подтверждаются многими римскими сооружениями, которые все еще существуют сегодня, такими как рынки Траяна (построенные между 100 и 110 годами нашей эры, более чем через столетие после гробницы) и такими сооружениями, как пирсы и волнорезы, которые Джексон и его коллеги построили. тоже учился.
Однако древние римляне не могли знать, как кристаллы богатого калием минерала лейцита в агрегате вулканической тефры растворяются с течением времени, благотворно изменяя форму и перестраивая сцепление бетона.
Чтобы понять минеральную структуру бетона, Джексон объединился с исследователями Линдой Сеймур и Адмиром Масиком из Массачусетского технологического института и Нобумичи Тамурой из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Они изучили микроструктуру бетона с помощью ряда мощных научных инструментов.
Образцы, такие как древний раствор, очень неоднородны и сложны, поскольку состоят из смеси различных кристаллических фаз с размерами зерен от нескольких микрометров до нескольких нанометров - говорит Тамура.
Сеймур, который участвовал в этом исследовании в качестве аспиранта Массачусетского технологического института, а сейчас является консультантом проекта в инженерной фирме Simpson, Gumpertz &Heger, провел дополнительный анализ образцов.
Каждый из использованных нами инструментов давал представление о процессах в растворе она говорит. Сканирующая электронная микроскопия показала микроструктуру строительных блоков строительного раствора в микронном масштабе. Энергодисперсионная рентгеновская спектрометрия показала элементы, составляющие каждый из этих строительных блоков. Эта информация позволяет нам быстро изучить различные области раствора и выбрать строительные блоки, связанные с нашими вопросами она объясняет. Хитрость, добавляет она, заключается в том, чтобы точно поразить одну и ту же цель из строительных блоков каждым инструментом, когда эта цель имеет ширину всего лишь волосок.
Почему бетон могилы Сесилии такой уникальный?
В толстых бетонных стенах гробницы Сесилии Метеллы находится раствор, содержащий вулканическую тефру из близлежащей Пуццоланы Росса. пирокластический поток (плотная масса горячей тефры и газов, выброшенная взрывом из близлежащего вулкана Альбанские горы) связывает вместе большие куски кирпича и агрегаты лавы. Это ступа, очень похожая на ту, которую использовали на стенах рынков Траяна 120 лет спустя.
В более ранних анализах раствора Trajan's Markets Джексон, Тамура и их коллеги исследовали «клей» раствора, строительный блок, называемый связующей фазой C-A-S-H (кальций-алюминий-силикат-гидрат), а также минерал под названием стратлингит. . Кристаллы стрэтлингита блокируют распространение микротрещин в растворе, не давая им срастаться и разрушать структуру бетона.
Но тефра, которую римляне использовали для раствора в гробнице Цецилии Метеллы, была более богата лейцитом и калием. Столетия дождевых и грунтовых вод, просачивавшихся по стенам гробницы, растворили лейцит и высвободили калий в растворе. В современном бетоне этот поток калия может создать расширяющиеся гели, которые могут вызвать микротрещины и, в конечном итоге, растрескивание и ухудшение структуры.
Однако в могиле калий растворился и изменил конфигурацию фазы связи C-A-S-H. Сеймур говорит, что методы рентгеновской микродифракции и рамановской спектроскопии позволили им изучить, как изменился раствор. Мы видели домены C-A-S-H, которые остались нетронутыми через 2050 лет, а некоторые были расщеплены, потускнели или имели другую морфологию , говорит он. Рентгеновская микродифракция, в частности, позволила проанализировать диффузные домены вплоть до их атомной структуры. Мы видим, что диффузные домены приобретают нанокристаллическую природу , утверждает он.
Реконструированные домены очевидно, создают прочные связующие компоненты в бетоне Джексон говорит. В этих структурах, в отличие от Рынков Траяна, образуется гораздо меньше стратлингита. Стефано Роашио, археолог, отвечающий за гробницу, отмечает, что исследование очень важно для понимания других древних и исторических бетонных построек, в которых используется заполнитель Пуццолана Росса.
Адмир Масич, доцент кафедры гражданского и экологического проектирования Массачусетского технологического института, говорит, что взаимодействие между заполнителями и раствором в любом бетоне имеет решающее значение для долговечности конструкции. По его словам, в современном бетоне реакции, приводящие к образованию расширяющихся гелей, могут нарушить границы раздела даже самого твердого бетона.
Оказывается, древнеримские бетонные поверхности гробницы Цецилии Метеллы постоянно развиваются в результате длительной реконструкции , утверждает он. Эти процессы ремоделирования укрепляют межфазные зоны и потенциально способствуют улучшению механических характеристик и устойчивости к разрушению старого материала .
Можем ли мы воссоздать этот эффект сегодня?
Джексон и его коллеги работают над повторением некоторых успехов римлян в современных бетонах, в частности, в проекте ARPA-e Министерства энергетики США, направленном на поощрение подобных полезных заполнителей в бетонах, в которых используется искусственная ячеистая магма вместо тефры из древнеримских построек. Цель состоит в том, чтобы бетон, подобный римскому бетону, мог бы сократить выбросы энергии при производстве и монтаже бетона на 85 % и увеличить 50-летний срок службы современного морского бетона в четыре раза.
Сосредоточение внимания на проектировании современных бетонов с межфазными зонами постоянного армирования может дать нам еще одну стратегию повышения долговечности современных строительных материалов — говорит Массик. Объединив проверенную временем «римскую мудрость», мы создадим устойчивую стратегию, которая может на несколько порядков продлить срок службы наших современных решений .
