Група дослідників з Массачусетського технологічного інституту, Гарвардського університету та лабораторій в Італії та Швейцарії змогла відновити давню технологію виробництва бетону. Інженери вважають, що цей матеріал витримав тисячоліття завдяки «гарячому змішуванню». Дослідження опубліковано в журналі Science Advances.
У процесі гарячого змішування уламки вапна утворюють крихку архітектуру наночастинок, створюючи легко ламке і реактивне джерело кальцію, яке забезпечує здатність бетону відновлюватися. Крихітні тріщини, що формуються в бетоні, проходять через уламки вапна з великою площею поверхні. При реакції з водою цей матеріал утворює насичений кальцієм розчин, який перетворюється на карбонат кальцію і швидко заповнює тріщину.
У своїй роботі інженери звернули увагу на те, що стародавні зразки бетону містять невеликі характерні яскраво-білі мінеральні елементи міліметрового масштабу. Ці утворення, формуються з вапна, одного з ключових компонента древньої бетонної суміші. Раніше вчені вважали, що ці утворення — наслідок неякісного розмішування суміші.
Укрупнене і пофарбоване зображення двосантиметрового осколка бетону (праворуч), отриманого на місці розкопок в Прівернуму в Італії (зліва). Червоним забарвлений кальцій, синім – кремній, а зеленим — алюміній. Зображення: MIT
Нове дослідження припускає, що саме ці крихітні уламки вапна забезпечують бетону здатність до самовідновлення. Вчені вивчили уламки вапна з використанням зображень з високою роздільною здатністю і методів хімічного картування. Дослідження показало, що білі включення дійсно складаються з різних форм карбонату кальцію, які утворилися при екстремальних температурах.
Раніше вважалося, що коли вапно додавали до римського бетону, його спочатку змішували з водою, утворюючи пастоподібний матеріал у процесі, відомому як гасіння. Наявність слідів матеріалів, які утворилися при високих температурах, говорить про використання негашеного вапна замість або на додаток до гашеного вапна в суміші.
Формування активних капсул при гарячому змішуванні (зверху) і їх активація при утворенні тріщин (знизу). Зображення: Linda M. Seymour et al., Science Advansec
Це можливо в процесі гарячого змішування, відзначають автори роботи. При цьому процесі весь бетон нагрівається до високих температур. В результаті хімічних реакцій утворюються хімічні речовини, пов’язані з високою температурою сполуки, які в іншому випадку не утворилися б.
Експерименти з матеріалами, приготованими за давньою технологією, підтвердили гіпотезу: бетон, виготовлений з використанням гарячого змішування, демонстрував здатність до відновлення і кращу міцність. Цей підхід можна використовувати і для сучасного виробництва, вважають автори роботи.
Експеримент з відновлення бетону, створеного за стародавньою технологією. Зображення: Linda M. Seymour et al., Science Advansec