Секрет прочности бетона древних римлян раскрыли современные ученые. Древнеримский бетон состав


Ученые раскрыли секрет удивительной прочности бетона Древнего Рима

10:0804.07.2017

(обновлено: 11:25 04.07.2017)

9096436023

МОСКВА, 4 июл — РИА Новости. Секрет удивительной прочности древнеримских акведуков и других построек из бетона, простоявших уже несколько тысячелетий, заключается в необычной "химии" его двух основных компонентов — вулканического пепла и морской воды, говорится в статье, опубликованной в журнале American Mineralogist.

"Рецепт изготовления этого бетона был потерян, и никому никогда не удавалось его восстановить. Римлянам повезло, что у них был подходящий минеральный пример того, как работает этот бетон. Они наблюдали за тем, как вулканический пепел попадал в море и превращался в пемзу. Нам придется подобрать их аналоги, так как и морская вода, и пепел есть далеко не везде", — рассказывает Мэри Джексон (Marie Jackson) из университета Юты в Солт-Лейк-Сити (США).

Восстановление византийского монастыря Дафни после землетрясенияУченые: наступление оледенения обрушило Византию и создало ХалифатДревний Рим, как часто его критикуют многие искусствоведы и историки науки, не оставил после себя столь же богатое культурное наследие, как Древняя Греция, но зато древние римляне преуспели в практических дисциплинах — правоведении, архитектуре и строительстве. Древнеримские дороги, водопроводы, Пантеон, другие соборы и архитектурные сооружения простояли несколько тысяч лет и используются до сих пор. 

Главным ноу-хау и чудом древнеримской строительной индустрии был "цемент", opus caementicium — прародитель современного бетона, из которого сложены многие акведуки, Колизей, портовые причалы, стены домов и других построек в Риме и остальных частях бывшего Pax Romana. В отличие от современного бетона, сложенного из цемента и щебня, его древнеримский тезка был заметно прочнее и не разваливался через несколько десятков лет после попадания воды.

Наоборот, как отмечает Джексон, он становился только крепче после контакта с водой, о чем писали Плиний Старший и многие другие хронисты времен имперского Рима. Это необычное свойство древнеримского бетона оставалось тайной для ученых, так как о его составе и методике изготовления нам было известно крайне мало — лишь то, что он содержал в себе песок, гальку определенных размеров, известь и вулканический пепел.

Извержение вулкана Вильяррика в ЧилиУченые раскрыли вулканические корни "конца света" 6 века нашей эрыДжексон и ее коллеги нашли ответ на этот вопрос, просветив несколько фрагментов древнеримского бетона при помощи ускорителя частиц ALS в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Изучая снимки, ученые нашли внутри бетона времен Цезаря и Августа крайне необычную составляющую, которую не ожидали увидеть, — кристаллы минерала тоберморита. 

Это вещество, состоящее из воды, кальция, алюминия, кремния и кислорода, обычно образуется в гидротермальных источниках или жерлах вулкана при сверхвысоких температурах, и обнаружение его в "цементе" стало сюрпризом для ученых. Проанализировав структуру кристаллов, Джексон и ее коллеги поняли, как они возникли, и нашли объяснение невероятной прочности древнеримского бетона.

Как оказалось, бетон формировался в два этапа, первый из которых был быстрым, а второй — достаточно медленным по человеческим меркам. Сначала известь взаимодействовала с молекулами, содержащимися в пепле, и создавала внутри бетона щелочную среду, способствовавшую формированию тоберморита.

Капитолийский холм. Италия. Архив Ученые выяснили, какие мигранты работали на "имперских" стройках РимаОн возникал внутри бетона в результате проникновения морской воды и ее взаимодействия с щелочной средой. Растущие кристаллы тоберморита сцеплялись между собой, что скрепляло бетон и не позволяло ему развалиться на части под действием химически агрессивной морской воды. Этот процесс, как отмечают химики, может длиться несколько тысяч лет, на протяжении которых бетон не только не разрушается, а становится еще прочнее. 

Сейчас Джексон и несколько других геологов пытаются воссоздать "рецепт" древнеримского бетона, смешивая различные типы вулканического пепла с морской водой. Его создание, как надеются ученые, позволит не только найти замену обычному цементу, производство которого является одной из самых экологически "грязных" процедур, но и создать "вечные" дамбы, приливные электростанции, волнорезы и другие портовые сооружения.

ria.ru

Древнеримский бетон поможет современным инженерам построить дамбы

Так уж вышло, что римский бетон прочнее, чем любой другой, созданный до и даже после него.

«Это самый прочный строительный материал в истории человечества. Говорю это как исследователь, не склонный преувеличивать», - сказал в интервью газете Washington Post Филипп Брун, материаловед из фирмы DuPont Pioneer.

Среди прочего он занимается исследованиями и реконструкцией древних технологий, в том числе архитектурных памятников античного времени.

Некоторые инженеры задаются вопросом: могут ли строительные секреты древности помочь нам адаптировать инфраструктуру к реалиям эпохи глобального потепления?

Действительно, в настоящее время ученые выясняют свойства и точный химический состав бетона, в который древние могли подмешать продукты вулканической деятельности, например, вулканический пепел.

Образцы такой разновидности бетона встречаются в Италии, в частности это портовый городок Орбетелло, где находится морской пирс времён Римской империи.  

Выходит, особенно хорошо подходит для морских сооружений.

Глобальное потепление: какие ваши доказательства?

По мере того как растет средняя температура воздуха, морской лед тает и уровень мирового океана повышается, причем происходит это быстрее, чем в начале XX века.

Точно неизвестно, почему, как долго и как быстро это будет происходить -  зависит от ряда переменных.

Однако существует высокая вероятность того, что повышение уровня моря таки заставит человечество укрепить гидротехническую инфраструктуру вокруг прибрежных городов.

Венеция уже тонет - уровень воды там поднимается на 2 мм в год.

По этой причине одна из самых насущных задач для этого прибрежного города - строительство защитной дамбы на побережье.

Эта новая прекрасная дамба должна быть дешевой и надежной.

Между тем древнеримский пирс в Орбетелло стоит вот уже 2000 лет и ему всё нипочём.

Впрочем, современной дамбе из бетона по древнему рецепту вовсе не нужно постоянно удерживать воду, достаточно только защищать город во время приливов и бурь, которые могут стать причиной наводнения.

Например, с этой задачей справляется набережная Малекон в Гаване, столице Кубы. Она протянулась на 5 км вдоль берега.

Да и вообще, много где по миру дамбы и прочие похожие гидротехнические сооружения берегут спокойный сон жителей прибрежных районов (Нидерланды, Великобритания и Австралия).

Рецепты, проверенные временем: Opus Caementicium по-домашнему

Оказывается, у древних был идеальный рецепт водостойкого бетона.

Патентообладатели называли этот материал «opus caementicium».

Во времена Римской империи строители заливали пластичную смесь в деревянную опалубку на берегу, чтобы бетон застыл.

«Цемент» состоял из смеси песка и связующего с наполнителем из природной или искусственной керамики (пемза - вулканический пепел, кирпич - просто кирпич).

В качестве связующего применяли известь.

Со временем благодаря химическому взаимодействию с морской водой такой бетон стал только прочнее.

Кстати, вулканической пемзы в достатке возле современного Неаполя, где римляне его и добывали, когда у них была такая возможность.

Вулканический пепел содержит особый секретный минерал - филлипсит.

Как утверждают авторы исследования, которое на днях опубликовали в журнале American Mineralogist, в результате взаимодействия бетона с морской водой в структуре материала образовываются кристаллогидраты.

Эти кристаллы иглообразной формы посредством пространственных связей превращают раствор в силикатный камень - монолитный и прочный.

По сути, эти кристаллы обеспечивают структурное упрочнение материала, что делает римский бетон таким долговечным.

Где в наши дни можно увидеть римский бетон?

Между 22 и 10 годами до нашей эры римляне построили бетонный фундамент пирса в гавани древнего города Кесария Палестинская (современный Израиль).

Эта подводная конструкция по-прежнему остается нетронутой и сегодня, два тысячелетия спустя.

Плиний Старший, известный римский писатель, историк и философ даже написал оду бетону: «Едва касаясь моря, каменеет он, неприступная скала для волн».

Современные технологии и перспективы применения римского бетона

Инженеры, изучившие древнеримский бетон, всерьёз полагают, что технология его получения может быть воссоздана с использованием современных компонентов.

Напомню, это нужно для создания морских дамб вокруг городов, подверженных риску подтопления.

Мари Джексон (Marie Jackson), археолог из Университета штата Юта (University of Utah) пытается воссоздать этот тип бетона, используя вулканические породы, найденные в океане рядом с Сан-Франциско.

Она отмечает, что искусственный синтез кристаллогидратов требует большого количества тепла и энергии даже для производства их небольшого количества, а ждать 2000 лет, пока они образуются сами собой - нет времени.

Мари уверена, что если мы собираемся начать подмешивать кристаллогидраты в современный бетон, то будет более экономичным добывать его из природного источника тепла и энергии, где он как раз и образуется, т.е. возле подводных вулканов.

Как я погляжу, по миру много городов под угрозой подтопления, поэтому водостойкого бетона  нужно очень много, да так, чтобы он был дешевым в производстве.  

Выходит, слова Мари Джексон имеют смысл.

Если всё пойдёт гладко, римский бетон может стать альтернативой традиционному железобетону.

Со временем римский бетон под воздействием морской воды становится только крепче.

 

 

 

 

www.qwrt.ru

Как древние римляне научились делать цемент

Создание римлянами бетона могло копировать природный процесс.

Тициана Ванорио (Tiziana Vanorio) и Варунторн Канитпаньячароен (Waruntorn Kanitpanyacharoen) из Стэнфордского университета выявили геологический процесс, которые мог подтолкнуть древних римлян к созданию бетона. В районе итальянского города Поццуоли в почве естественным образом образовывалась гашеная известь, которую римляне использовали для создания цемента. Подробности изложены в журнале Science.

В 1982 геологи обратили внимание на странные процессы, идущие в итальянском городе Поццуоли — уровень почвы здесь вдруг начал подниматься с неожиданной скоростью, иногда достигавшей двух метров в год. Этот процесс сопровождался мелкими землетрясениями, и власти даже эвакуировали около 40 тысяч человек из старинного центра города, опасаясь большого землетрясения или извержения вулкана. Но ничего не произошло.

После того, как почву рядом с Поццуоли пробурили на глубину 2,9 км, геологи наткнулись на толстый слой угля. Под воздействием жары и морской воды, этот слой начинал испускать углекислый газ, а тот в свою очередь вступал в реакцию с кальцием и водородом, — элементами, которыми богаты здешние скалы. Таким образом получалась та самая гашеная известь, с помощью которой римляне делали цементную смесь, лежащую в основе бетона. Кстати, вулканический пепел, применявшийся для создания этой «opus caementicium», привозили из Путеол — так в древности назывался Поццуоли.

Оказалось, что под землей сформировалась прочная перекрывающая порода, которая не позволяла тектоническим силам вырываться на поверхность. Ученые изучили те реакции, которые привели к образованию этой породы, и даже создали ролик, объясняющий этот механизм (см. внизу новости).

Вполне вероятно, что древнеримские строители при создании бетона вдохновлялись этими природными химическими реакциями — а без этого бетона не было бы великих римских построек. Римские дороги, храмы и акведуки возводились во всех землях, принадлежавших римской империи. Многие древнеримские создания не просто сохранились до сегодняшнего дня, пережив и саму империю, и множество завоевателей, и природные катаклизмы, но и по-прежнему используются по прямому назначению — по древним акведукам все еще течет вода, а по проложенным древними римлянами дорогам ездят современные машины.

И все это благодаря умению изготавливать состав, похожий на современный бетон. Они делали смесь их песка, извести, воды, добавляя туда вулканический пепел, туф, осколки глиняных изделий. Получалось что-то вроде цемента, который они заливали в полости между стенами, приобретавшими таким образом невероятную прочность.

scientificrussia.ru

Секрет состава древнеримского бетона

Бетон активно применялся строителями Древнего Рима. Античные мастера довели рецептуру смеси до совершенства. До наших дней сохранились постройки возрастом 2000 и более лет. Многие из них отличает достаточно высокая прочность и сейчас.

После падения древнеримской цивилизации ряд перспективных технологий постепенно утратил актуальность, а затем и вовсе был забыт. Когда человечеству вновь потребовалось в массовом порядке возводить масштабные объекты, воссоздать прежнюю рецептуру бетона не удалось.фотография древнеримского памятника архитектуры

В наши дни различные бетонирующие смеси — одни из самых востребованных материалов для строительства. В мировом масштабе их расход с каждым годом только увеличивается. Поэтому любые полезные разработки, в том числе и из прошлого, имеют колоссальное значение.

Неожиданная находка

В рамках одного из исследований ученые провели рентгенографию плиты из бетона. Ее временно демонтировали из пирса в Орбетелло. Постройку возвели еще во времена Римской империи.

Как и предполагалось изначально, морская вода способствовала появлению многочисленных микротрещин. Однако именно благодаря этим микроскопическим повреждениям и, как следствие, минерализации бетонная конструкция продолжала оставаться прочной.

Исследователи выдвинули гипотезу, что древние римляне в качестве базового компонента для бетонной смеси использовали вулканический туф. Он образовывался в результате взаимодействия извести (именно она выступала вяжущим элементом), силикатов и алюмосиликатов. Следовательно, морская вода оказывала не разрушающее воздействие, а способствовала минерализации материала, что только увеличило показатели прочности.

Использование туфа в строительстве

Туфовый камень с давних времен применяется для строительства. Сами римляне возвели из него Колизей. Камень использовался при строительстве ватиканского Собора святого Петра. Жителям России тоже знакомы постройки из туфа. Например, материал составляет основную часть конструкции Ростральных колонн и «Выборгской» станции петербургского метро.

Туф демонстрирует великолепную прочность, морозо- и влагоустойчивость. Остается надеяться, что дальнейшие исследования помогут разработать перспективные и пригодные для массового применения рецепты бетонирующих смесей на основе этой горной породы. Заказать бетон по выгодной цене для любых строительных задач уже сейчас можно в компании «Бетон Центр».

centr-beton.ru

Современный цемент ничто, по сравнению с древнеримским.: biboroda

В сфере изготовления цемента современным строителям есть чему поучиться у древних римлян, считают исследователи, которые изучали древние строительные технологии под руководством Пауло Монтейро из Департамента энергетики Национальной лаборатории Лоренса Беркли в США.

 

Древнеримская технология изготовления цемента оказалась более передовой, чем современная — она ​​требует меньших затрат энергии и является более экологичной, а сам кирпич по прочности превосходит современный, говорится на сайте Лаборатории Лоренса Беркли.Сейчас в мире наиболее широко применяется портландцемент, который считается очень качественным. Но из-за того, что для его производства нужно подогревать смесь известняка и глины до 1450°С, от сгорания топлива выделяется углекислый газ. Кроме того, такой газ выделяет и сам нагретый известняк.

Римляне же, наоборот, для производства цемента использовали меньше извести и подогревали её только до 900°С. В этом процессе им нужно было меньше топлива — соответственно снижались и выбросы в атмосферу от его горения.

Древняя технология

В состав цемента у римлян входила известь и магматические горные породы. Для возведения подводных конструкций смешивали известь и вулканический пепел, и такую ​​смесь выкладывали в деревянную опалубку.

Морская вода вызвала горячую химическую реакцию. Известь гасилась (проходила реакция гидратации), взаимодействовала с вулканическим пеплом, и вся смесь начинала застывать.

С древних времён сохранились и записи древних римлян о качестве цемента и вулканического пепла.

Вначале Витрувий, инженер императора Августа, а позже Плиний Старший записал, что самый лучший цемент получался из пепла, взятого в районе Неаполитанского залива, особенно в окрестностях одного из приморских городов, современного Поццуоли.

Такой вулканический пепел имеет специальное название — пуццолан. Пепел такого типа можно встретить в разных частях мира, в частности, его можно добыть в Украине и в Карпатских, и Крымских горах.

В чём разница?

Учёные выделяют несколько особенностей, которые делают древнюю технологию изготовления цемента более передовой, чем современную.

Во-первых, изменился состав бетона. Бетон на основе портландцемента состоит из кальция, силикатов и гидратов (К-С-Г). В состав римского бетона входило меньше кремния, а вместо него добавлялся ещё один компонент — алюминий. Такое сочетание кальция, алюминия, силикатов и гидратов (К-А-С-Г) позволяло создать очень прочный материал.

Во-вторых, древнеримский и современный цементы имеют разную структуру. Цемент на основе К-С-Г, застывая, становится похожим на такие природные структуры, как тоберморит и женнит. Однако он только подобен им — идеальной кристаллической структуры в современных цементах не увидеть.

Однако тоберморит обнаруживается в составе древнего римского бетона, который образуется там благодаря добавлению алюминия. Кроме того, само сочетание алюминия с тоберморитом даёт чрезвычайно прочный и долговечный материал.

Анализ показал, что по римскому рецепту для изготовления цемента требуется значительно меньше извести — его добавляется только 10% от веса всех компонентов. Температура, которой подвергается смесь, также на треть меньше, чем требуется при изготовлении портландцемента. А известь при реакции с богатым на алюминий пуццоланом и морской водой даёт очень прочные сочетание К-А-С-Г и алюминий-тоберморита.

«В середине 20-го века бетонные конструкции были рассчитаны на 50 лет, и немало таких зданий уже доживает свой век», — говорит Пауло Монтейро, профессор гражданской и экологической инженерии в Университете Калифорнии.

По словам специалиста, нынешние сооружения рассчитаны на 100—120 лет. Однако римские портовые сооружения сохранились на протяжении 2 тысяч лет и выстояли в условиях химического воздействия и подводных течений.источник

biboroda.livejournal.com

Секрет прочности бетона древних римлян раскрыли современные ученые

Прочность древнеримских построек из бетона давно поражает ученых. Виадуки и другие здания смогли пережить несколько тысячелетий и устоять. А секрет этой прочности — в необычной "химии" его двух основных компонентов: вулканического пепла и морской воды.

370568.jpeg

Фото: AP

Никому до сих пор не удавалось восстановить давно потерянный рецепт изготовления этого бетона, рассказывается в статье, опубликованной в журнале American Mineralogist, Мэри Джексон (из университета Юты в Солт-Лейк-Сити (США).

Однако древние римляне могли своими глазами увидеть, как создается этот бетон, когда вулканический пепел попадал в море и превращался в пемзу.

Сегодня ученым придется подобрать их аналоги, так как и морская вода, и пепел есть далеко не везде.

Древняя Греция оставила после себя богатое культурное наследие, чего нельзя сказать о Древнем Риме. Зато древние римляне преуспели в практических дисциплинах — правоведении, архитектуре и строительстве. Древнеримские дороги, водопроводы, Пантеон, соборы и архитектурные сооружения простояли несколько тысяч лет и используются до сих пор.

"Цемент", opus caementicium, — прародитель современного бетона, придуманный древними римлянами, можно увидеть и в Пантеоне, и в древних причалах, и в Колизее. От современного тезки древнеримский цемент отличается заметной прочностью: он не разваливался через несколько десятков лет после попадания воды. Напротив, после контакта с водой он становился еще более прочным.

О его составе и методике изготовления современным ученым было известно крайне мало — лишь то, что он содержал в себе песок, гальку определенных размеров, известь и вулканический пепел.

Просветив несколько фрагментов древнеримского бетона при помощи ускорителя частиц ALS в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Джексон и ее коллеги смогли найти крайне необычную составляющую, которую не ожидали увидеть, — кристаллы минерала тоберморита, вещества, состоящего из воды, кальция, алюминия, кремния и кислорода.

Образуется он обычно в гидротермальных источниках или жерлах вулкана при сверхвысоких температурах, и обнаружение его в "цементе" стало сюрпризом для ученых.

Как оказалось, бетон формировался в два этапа, первый из которых был быстрым, а второй — достаточно медленным по человеческим меркам. Сначала известь взаимодействовала с молекулами, содержащимися в пепле и создавала внутри бетона щелочную среду, способствовавшую формированию тоберморита, который возникал внутри бетона в результате проникновения морской воды и ее взаимодействия с щелочной средой.

Растущие кристаллы тоберморита сцеплялись между собой, что скрепляло бетон и не позволяло ему развалиться на части под действием химически агрессивной морской воды. Этот процесс, как отмечают химики, может длиться несколько тысяч лет, на протяжении которых бетон не только не разрушается, а становится еще прочнее.

Сейчас ученые пытаются воссоздать древний рецепт бетона. Если это у них получится, тогда они смогут дать миру заменитель цемента, производство которого считается самым грязным на планете.

www.pravda.ru

Добавки в бетон, не делают его подобным древнеримскому бетону!

Современные добавки в бетон, которыми изобилуют современные строительные растворы не дают желаемой прочности, бетон может разрушится через 50 – 70 лет. Но если посмотреть на строения древних, то приходишь в недоумение, как эти строения остаются в довольно неплохом состоянии на протяжении тысячелетий.

Самое удивительное в том, что есть строения, которые находятся что называется в агрессивной среде морских волн, речь пойдет о причалах древнего Рима.

Открытие ученых

Ученые, изучавшие цементные рецепты древних архитекторов старого мира, дошли до изучения древнего побережья возле города Неаполя (Италия).

Достав со дна пробы древнеримской гавани и проанализировав состав, выяснилось, что морская вода растворила вулканический пепел образовав новый связующий состав, морская вода в конечном итоге является связующей добавкой в бетон.

Бетонные гавани древнего РимаДревние римские бетонные гавани и места взятия проб, зеленые круги: 1 = Порт Cosanus , 2 = Порт Traianus , 3 = Порт Neronis , 4 = Baianus Sinus . Вулканические районы, красные треугольники.

Добавки в бетон древнего Рима

Раствор римского морского бетона считается прототипом современных бетонов, которые частично заменяют портландцемент натуральным пуццоланом для снижения выбросов CO 2.

Древнеримские бетоны также имеют добавки в бетон, но они были получены в результате реакции морской воды, извести, прокаленной из известняка, и цеолитированного вулканического пепла.

В течение столетий крайне редкий минерал под названием алюминий-тоберморит (aluminum tobermorite; Al-tobermorite) само образовался в бетоне. Между тем, ученым ранее давно известно, что алюминий-тоберморит придавал древнеримскому бетону большую прочность, но как именно он там появлялся оставалось загадкой.

Алюминий-тоберморит, можно получить в лабораторных условиях, но его крайне трудно в рабочих условиях добавить в бетон.

Под микроскопом

Цементирующие ткани римских бетонных волнорезов и причалов, построенных из вулканических зольных растворов, представляют собой хорошо сдерживаемый шаблон для разработки цементных технологий посредством низкотемпературных взаимодействий с текучей средой.

Катионообменными и карбонатными реакциями, которые происходят задолго до начальной фазы реакции с известью, которая определяет активность природных пуццоланов.

Добавки в бетон древнего Рима под микроскопомДобавки в бетон древнего Рима под микроскопом

Некоторые аспекты римской пост-пуццолановой системы были воспроизведены в виде цементных систем геополимерного типа, где в водных реакционных субстратах протекают реакции растворения и осаждения, вызванные щелочью, с небольшим или отсутствующим кальцием .

Однако эти системы не производятся, Выгодное осаждение цементных гидратов путем эволюционного изменения реактивного заполнителя.

Химия древних бетонов

Связанные процессы растворения и осаждения, возникающие в результате реактивности синтетических кальций (алюмосиликатных стекол, базальтовых стекол и боросиликатных стекол с водными растворами , имеют большое значение для получения дальнейшего понимания из нескольких путей к низкотемпературной кристаллизации Al-тоберморита.

Это особенно относится к химическим веществам с изменяемым раствором, производимым в микросредах, связанных с аутигенным растворением щелочных компонентов пуццоланового вулканического пела-щелочного полевого шпата, трахитронного стекла и реликтовых цеолитных текстур.

Углерод цеолита

Углерод цеолита в пемковых участках субаэрального раствора также, по-видимому, высвобождал щелочноземельные элементы, связанные с низкотемпературной кристаллизацией Al-тоберморита.

Платиновые и игольчатые кристаллы Al-tobermorite могут повышать пластичность и устойчивость к разрушению, что, возможно, приводит к увеличению механической устойчивости бетона.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция. Это вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах. Название получил по имени острова Портленд в Англии, так как по цвету похож на добываемый там природный камень.

Пуццола́н (итал. pozzolana) — пылевидный продукт, смесь вулканического пепла, пемзы, туфа. Первое упоминание о месте добычи, зафиксированное в письменных документах, относится к холмам у города Путеолы в районе вулкана Везувий.

goodhim.com