Химик Адмир Масич и его коллеги пытались воссоздать древнеримскую технологию изготовления бетона - смеси цемента, гравия, песка и воды. Исследователи подозревали, что ключевым моментом является процесс под названием "горячее смешивание", при котором сухие гранулы оксида кальция, также называемые негашеной известью, смешиваются с вулканическим пеплом для получения цемента. Затем добавляется вода.
Горячее перемешивание, по их мнению, в конечном итоге позволит получить цемент, который не будет полностью гладким и смешанным, а будет содержать небольшие камни, богатые кальцием. Эти маленькие камни, повсеместно встречающиеся в стенах бетонных зданий римлян, могут быть ключом к тому, почему эти сооружения выдержали разрушения времени.
Современный цемент делают не так. Реакция негашеной извести с водой является сильно экзотермической, что означает, что она может привести к выделению большого количества тепла - и, возможно, к взрыву.
Все бы сказали: "Ты сошел с ума", - говорит Масич.
Но никакого большого взрыва не произошло. Вместо этого реакция произвела только тепло, влажный вздох водяного пара - и цементную смесь, похожую на римскую, с маленькими белыми камнями, богатыми кальцием.
Исследователи уже несколько десятилетий пытаются воссоздать римский рецепт долговечности бетона - но без особого успеха. Идея о том, что ключевым фактором является горячее перемешивание, была обоснованной догадкой.
Масич и его коллеги изучили тексты римского архитектора Витрувия и историка Плиния, в которых содержались некоторые подсказки о том, как действовать. В этих текстах, например, приводились строгие требования к сырью, например, известняк, из которого получают негашеную известь, должен быть очень чистым, а смешивание негашеной извести с горячей золой и последующим добавлением воды может дать много тепла.
Камни не упоминались, но у команды было ощущение, что они важны.
"В каждом образце древнеримского бетона, который мы видели, можно найти эти белые включения", кусочки породы, вкрапленные в стены. В течение многих лет, говорит Масич, происхождение этих включений оставалось неясным - исследователи подозревали неполное смешивание цемента, возможно. Но мы говорим о высокоорганизованных римлянах. Насколько вероятно, что "каждый оператор не смешивал цемент должным образом, и каждое отдельное здание имеет недостаток?".
Что если, по мнению команды, эти включения в цементе на самом деле были особенностью, а не ошибкой? Химический анализ таких камней, вкрапленных в стены на археологическом объекте Привернум в Италии, показал, что включения были очень богаты кальцием.
Это наводит на мысль о том, что эти камни могут помогать зданиям восстанавливаться от трещин, образовавшихся в результате выветривания или даже землетрясения. Готовый запас кальция уже был под рукой: Он растворяется, просачивается в трещины и заново кристаллизуется. Вуаля! Трещина исчезла.
Но могла ли команда наблюдать это в действии? Шаг первый: воссоздать камни путем горячего смешивания и надеяться, что ничего не взорвется. Шаг второй: Испытать цемент в римском стиле. Команда создала бетон с использованием процесса горячего смешивания и без него и испытала их бок о бок. Каждый блок бетона был разломан пополам, куски были помещены на небольшом расстоянии друг от друга. Затем через трещину пустили струйку воды, чтобы узнать, сколько времени прошло до прекращения просачивания.
"Результаты были ошеломляющими, - говорит Масич. Блоки, в состав которых входил горячий цемент, восстановились в течение двух-трех недель. Бетон, изготовленный без использования горячего цемента, вообще не восстановился, сообщает группа 6 января в журнале Science Advances.
Разгадка этого рецепта может стать благом для планеты. Например, Пантеон с его парящим бетонным куполом, украшенным деталями, простоял почти 2 000 лет, в то время как срок службы современных бетонных конструкций составляет, возможно, 150 лет, и это в лучшем случае. И у римлян не было стальных арматурных стержней, укрепляющих их конструкции.
Более частая замена бетонных конструкций означает увеличение выбросов парниковых газов. Производство бетона является огромным источником углекислого газа в атмосферу, поэтому более долговечные варианты могли бы уменьшить этот углеродный след. "Мы производим 4 гигатонны этого материала в год, - говорит Масич. При таком производстве на каждую метрическую тонну произведенного бетона приходится 1 метрическая тонна CO2, что в настоящее время составляет около 8 процентов от ежегодных глобальных выбросов CO2.
Тем не менее, говорит Масич, бетонная промышленность сопротивляется переменам. С одной стороны, есть опасения по поводу внедрения новых химических веществ в проверенную временем смесь с хорошо известными механическими свойствами. Но "ключевым узким местом в отрасли является стоимость", - говорит он. Бетон дешев, и компании не хотят выбивать себя из конкурентной борьбы".
Исследователи надеются, что повторное внедрение этой техники, которая выдержала испытание временем, и которая не потребует больших дополнительных затрат на производство, может решить обе эти проблемы. На самом деле, они на это рассчитывают: Масич и несколько его коллег создали стартап под названием DMAT, который в настоящее время ищет стартовые инвестиции для начала коммерческого производства горячей бетонной смеси в римском стиле. "Это очень привлекательно просто потому, что это материал тысячелетней давности".
