Со временем бетон трескается и крошится. Ну, большинство бетонных трещин и крошится. Сооружения, построенные в Древнем Риме, все еще стоят, демонстрируя удивительную долговечность, несмотря на условия, которые разрушили бы современный бетон.
Одним из таких сооружений является большая цилиндрическая гробница дворянки первого века Цецилии Метеллы. Новое исследование показывает, что качество бетона ее гробницы может превосходить качество бетона памятников ее современников мужского пола из-за вулканического заполнителя, который выбрали строители, и необычного химического взаимодействия с дождем и грунтовыми водами с этим заполнителем на протяжении двух тысячелетий.
«Строительство этого очень инновационного и надежного памятника и достопримечательности на Виа Аппиа Антика свидетельствует о том, что она пользовалась большим уважением», - говорит Мари Джексон, доцент кафедры геологии и геофизики Университета Юты, « а бетонная ткань 2 050 лет спустя отражает сильное и стойкое присутствие."
Исследование опубликовано в Журнале Американского керамического общества и частично финансируется программой ARPA-e Министерства энергетики США «Чрезвычайная долговечность цементных материалов».
Кем была Цецилия Метелла?
Могила Цецилии Метеллы - ориентир на Виа Аппиа Антика, древней римской дороге, также известной как Аппиева дорога. Он состоит из башни в форме барабана, которая стоит на квадратном основании, общей высотой около 70 футов (21 м) и диаметром 100 футов (29 м). Построенная около 30 г. до н. э., при преобразовании Римской республики в Римскую империю под предводительством императора Августа в 27 г. до н. э., гробница считается одним из наиболее хорошо сохранившихся памятников на Аппиевой дороге (к гробнице был пристроен замок). в 14 веке).
Цецилия сама была из богатой семьи, дочерью римского консула. Она вышла замуж за Марка Линция Красса, римского полководца и государственного деятеля, который сформировал знаменитый союз триумвирата с Юлием Цезарем и Помпеем.
Не так много известно о жизни Цецилии, но непреходящая величина ее гробницы на протяжении веков привлекала внимание посетителей, в том числе лорда Байрона, который написал о гробнице в «Паломничестве Чайльд-Гарольда» в начале 1800-х годов. Описав похожее на крепость сооружение, Байрон спрашивает:
Что это была за башня силы? В ее пещере
Какое сокровище было так заперто, так спрятано? - Женская могила."
Джексон посетил гробницу в 2006 году вместе с археологом Дотторессой Лизой Джанмикеле и получил разрешение от Soprintendenza Archeologia di Roma на сбор небольших образцов строительного раствора для анализа.
«Это был очень теплый июньский день, - говорит она, - но когда мы спустились по ступеням в погребальный коридор, воздух стал очень прохладным и влажным». Она отмечает плотные, сплоченные, почти идеально сохранившиеся стены из кирпичной кладки и почти водонасыщенные обнажения вулканической породы в основании.
«Атмосфера была очень спокойной, - добавляет она, - если не считать порхающих голубей в открытом центре круглой конструкции».
Что такое римский бетон?
Прежде чем углубляться в подробности, давайте сориентируемся в терминологии бетона. Пройдитесь почти по любому тротуару, и вы увидите, что бетон состоит из заполнителя (каменного песка и гравия) и цементного вяжущего. Цемент в современном тротуаре, вероятно, представляет собой портландцемент, полученный путем нагревания известняка и глинистых минералов в печи для образования клинкера, измельчения клинкера и добавления небольшого количества гипса.
Гробница является примером усовершенствованных технологий бетонного строительства в позднереспубликанском Риме, которые не содержат цемента. Технологии были описаны архитектором Витрувием в период, когда строилась гробница Цецилии Метеллы. Строительство толстых стен из крупнозернистого кирпича или заполнителя вулканической породы, скрепленных раствором, приготовленным из гашеной извести и вулканической тефры (пористых осколков стекла и кристаллов от взрывных извержений), привело бы к сооружениям, которые «в течение длительного времени не разрушаются."
Слова Витрувия подтверждаются многими римскими сооружениями, стоящими сегодня, в том числе рынками Траяна (построенными между 100 и 110 г. н.э., более чем через столетие после гробницы) и морскими сооружениями, такими как пирсы и волнорезы, которые Джексон и ее коллеги тоже учились.
Однако древние римляне не могли знать, как кристаллы минерального лейцита, богатого калием, в совокупности вулканической тефры со временем растворялись, благотворно реконструируя и реорганизуя 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 исследовали микроструктуру бетона с помощью множества мощных научных инструментов.
«Образцы, такие как древний строительный раствор, очень неоднородны и сложны, состоят из смеси различных кристаллических фаз с размером зерен от нескольких микрометров до нескольких нанометров», - говорит Тамура, который провел анализ с помощью Advanced Light. Исходный луч 12.3.2. По его словам, чтобы идентифицировать различные минералы в образце, а также их ориентацию, вам нужен такой инструмент, как микродифракционный луч в усовершенствованном источнике света, который производит «микронный, чрезвычайно яркий и энергичный карандашный рентгеновский луч, который может проникать через всю толщину образцов, что делает его идеальным инструментом для такого исследования."
Сеймур, принимавший участие в этом исследовании в качестве доктора философии. студент Массачусетского технологического института, а сейчас работает консультантом по проектам в инженерной фирме Simpson, Gumpertz & Heger, провел дополнительные анализы образцов.
«Каждый из инструментов, которые мы использовали, добавлял ключ к разгадке процессов в растворе», - говорит она. 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 исследовать различные области строительного раствора, и мы можем выбрать строительные блоки, связанные с нашими вопросами», - говорит она. Хитрость, добавляет она, заключается в том, чтобы точно поразить одну и ту же строительную цель каждым инструментом, когда эта цель составляет всего лишь ширину волоса.
Почему бетон на могиле Цецилии такой уникальный?
В толстых бетонных стенах гробницы Цецилии Метеллы раствор, содержащий вулканическую тефру из близлежащего пирокластического потока Поццолан-Росс (плотная масса горячей тефры и газов, выброшенных со взрывом из близлежащего вулкана Альбан-Хиллз), связывает большие куски кирпич и лавовый заполнитель. Это почти тот же самый раствор, который использовался в стенах Рынков Траяна 120 лет спустя.
В предыдущем анализе рынков строительного раствора Траяна Джексон, Тамура и их коллеги исследовали «клей» строительного раствора, строительный блок, называемый связующей фазой C-A-S-H (кальций-алюминий-силикат-гидрат), наряду с минерал под названием стратлингит. Кристаллы стрэтлингита блокируют распространение микротрещин в растворе, предотвращая их слипание и разрушение структуры бетона.
Но тефра, которую римляне использовали для раствора Caecilia Metella, содержала больше богатого калием лейцита. Столетия дождевой воды и грунтовых вод, просачивающихся через стены гробницы, растворяли лейцит и высвобождали калий в известковом растворе. В современном бетоне такое насыщение калием приведет к образованию расширяющихся гелей, которые вызовут микротрещины и, в конечном итоге, растрескивание и разрушение структуры.
В могиле, однако, калий растворился и изменил конфигурацию фазы связывания 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 были неповрежденными через 2050 лет, и некоторые из них были расщепленными, тонкими или иным образом отличающимися по морфологии», - говорит она. В частности, рентгеновская микродифракция позволила проанализировать тонкие домены вплоть до их атомной структуры. «Мы видим, что тонкие домены приобретают нанокристаллическую природу», - говорит она.
Реконструированные домены «очевидно создают прочные компоненты сцепления в бетоне», - говорит Джексон. В этих структурах, в отличие от Рынков Траяна, образуется гораздо меньше стратлингита.
Стефано Роасио, археолог, ответственный за гробницу, отмечает, что исследование имеет большое значение для понимания других древних и исторических бетонных сооружений, в которых используется заполнитель Pozzolane Rosse.
Адмир Масич, адъюнкт-профессор гражданской и экологической инженерии в Массачусетском технологическом институте, говорит, что взаимодействие между заполнителями и раствором любого бетона имеет основополагающее значение для долговечности конструкции. По его словам, в современном бетоне реакции щелочи и кремнезема, образующие расширяющиеся гели, могут нарушить границы раздела даже самого затвердевшего бетона.
«Оказывается, межфазные зоны в древнеримском бетоне гробницы Цецилии Метеллы постоянно развиваются в результате длительной реконструкции», - говорит он. «Эти процессы ремоделирования укрепляют межфазные зоны и потенциально способствуют улучшению механических характеристик и устойчивости древнего материала к разрушению».
Можем ли мы воссоздать этот эффект сегодня?
Джексон и ее коллеги работают над повторением некоторых успехов римлян в области современных бетонов, в частности, в рамках проекта ARPA-e Министерства энергетики США, направленного на поощрение использования аналогичных полезных реакционноспособных заполнителей в бетонах, в которых вместо тефра древнеримских построек. Цель, согласно ARPA-e, состоит в том, чтобы римский бетон мог снизить выбросы энергии при производстве и укладке бетона на 85% и в четыре раза увеличить 50-летний срок службы современных морских бетонов.
«Сосредоточение внимания на разработке современных бетонов с постоянным усилением межфазных зон может дать нам еще одну стратегию повышения долговечности современных строительных материалов», - говорит Масич. «Выполнение этого за счет интеграции проверенной временем «римской мудрости» обеспечивает устойчивую стратегию, которая может повысить долговечность наших современных решений на порядки».