Римският бетон е здрав и дълготраен заради морската вода

Международен екип учени разкри механизма, благодарение на който древноримският бетон е запазил якостта си две хиляди години. 

Тайната на здравината на морските съоръжения на древните римляни - кейове, вълноломи и др. - се дължи на образувания в бетона им минерал Al-торберморит. Той възниква в резултат на химична реакция с морската вода.

Проучването на геолозите и специалисти по материалознание от САЩ, Китай и Италия е публикувано в списание American Mineralogist.

В съвременното строителство се използва бетон, получен от смесването на вода и портланд цимент, която се състои основно от стрити на прах варовик, глина, гипс и понякога малко трас - суровина от вулканична пепел. Този бетон има срок на годност 100 години и се разрушава с течение на времето, особено под влияние на морска вода.

Древните римляни вместо съвременния цимент са използвали смес от вулканична пепел и вар. Така, според Плиний Стари подводното съоръжения стават "единен масивен камък, непревземаем за вълните и все по-здрав с всеки изминал ден".

Изследователите анализират строителна смес, оставена в 30 г. н. е от римския архитект Марк Витрувий. Тя включва вулканична пепел, вар и морска вода, смесена с твърди вулканични скали. Сместта се поставя в дървена форма и допълнително се потапя в морска вода.

Авторите разбрали как да се държи бетонът след време като извадили ядки от древните строежи на пристанище Поцуоли в Неапол.

В по-ранните си проучвания авторите на изследването пишат, че са намерили в древния римски бетон рядък минерал, Al-тоберморит, който се чете като "алуминий тоберморит". Този минерал има формула Ca₅Si₆O₁₆ (ОН) ₂ * nH₂O и се характеризира с високо съдържание на алуминий (Al), заместващ силиция (Si). Това явление се нарича изоморфизъм.

Анализът на извадените проби показа, че морската вода е измила от сместта микрочастиците вулканична пепел. Все пак, това не е довело до унищожаването, а до допълнително укрепване на бетона, освобождавайки пространство за растежа на минерали - продукти от реакциите, които се протичат между компонентите на бетона. Някъде след десетилетие порите се запълват с кристали тоберморит.

^{Минерални структури в находища на вулканични скали и римски морски бетон. Phillipsite and Al-tobermorite mineral cements produced through low-temperature water-rock reactions in Roman marine concrete / Marie D. Jackson, Sean R. Mulcahy, Heng Chen, Yao Li, Qinfei Li, Piergiulio Cappelletti, Hans-Rudolf Wenk}

Al-тоберморът е ключов компонент, фактор за трайността на древния подводен римски бетон. Съединения, които са аналогични на тоберморита се образуват чрез взаимодействие на цимент с вода и играят важна роля в свързването на цимента и съответно - бетона. Но в обикновения бетон няма достатъчно свободен обем и затова там се образува само в малки количества.

В новото изследване авторите проучват разпределението на Al-тоберморит в конкретни проби с помощта на синхротрона Advanced Light Source в Националната лаборатория Лорънс в Бъркли. Учените са открили частици на минерала филипсит (с по-сложната формула K₆ (Si₁₀Al₆) O₃₂ * 12H₂O), който често се среща във вулканични скали и се оказа, че от този минерал под въздействието на морската вода се образува Al-тоберморит.

Филипситът кристализира в порите на агрегатите от вулканична пепел, които са използвани от римляните като бетон, както и в естествени вулканични обекти. Под действието на алкални разтвори, образуващи се от морската вода и циркулиращи в порите, след разтваряне или разграждане филипситът кристализира в Al-тоберморит.

Преди това такива реакции са били наблюдавани само на няколко места, като близо до вулкана Сюртсей в Исландия. Учените са потвърждават, че именно Al-тоберморитът прави бетона толкова издръжлив - дългите му кристали осигуряват на материала гъвкавост и по този начин той се деформира под натиск, а не се разрушава.

Още по темата

31/05/2017

Технологии

"Живите" тухли от гъби са по-здрави от бетон

17/03/2016

Технологии

Учени превръщат въглероден диоксид в здрав бетон (видео)

19/05/2015

Технологии

Създаден е биобетон, чиито пукнатини могат да "зарастват" (видео)