Помпеи предлагает понимание древнеримских строительных технологий | Новости Массачусетского технологического института

Бетон был основой древней Римской империи. Это позволило совершить легендарную архитектурную революцию в Риме, а также построить здания, мосты и акведуки, многие из которых используются до сих пор спустя примерно 2000 лет после их создания.

В 2023 году доцент Массачусетского технологического института Адмир Масич и его сотрудники опубликовали статью. описание производственного процесса Это придавало римскому бетону долговечность: фрагменты извести смешивались с вулканическим пеплом и другими сухими ингредиентами перед добавлением воды. Когда к этой сухой смеси добавляется вода, выделяется тепло. По мере схватывания бетона этот процесс «горячего смешивания» улавливает и сохраняет высокореактивную известь в виде мелких белых гравийных частиц. Когда в бетоне образуются трещины, известковые частицы растворяются и заполняют трещины, придавая бетону свойства самовосстановления.

Была только одна проблема: процесс, описанный командой Масича, отличался от процесса, описанного знаменитым древнеримским архитектором Витрувием. Витрувий буквально написал книгу об античной архитектуре. Его весьма влиятельная работа «Об архитектуре», написанная в I веке до нашей эры, является первой известной книгой по теории архитектуры. В нем Витрувий говорит, что римляне добавляли воду к извести, чтобы создать пастообразный материал, прежде чем смешивать его с другими ингредиентами.

«Имея большое уважение к Витрувию, было трудно предположить, что его описание может быть неточным», — говорит Масич. «Сочинения Витрувия сыграли решающую роль в стимулировании моего интереса к древнеримской архитектуре, а результаты моих исследований противоречили этим важным историческим текстам».

Теперь Масик и его коллеги подтвердили, что римляне действительно использовали горячее смешивание, к такому выводу он пришел, изучая недавно обнаруженную древнюю строительную площадку в Помпеях, которая прекрасно сохранилась после извержения вулкана Везувий в 79 году нашей эры. Они также охарактеризовали материал вулканического пепла, который римляне смешивали с известью, обнаружив удивительно разнообразный набор химически активных минералов, которые еще больше увеличили способность бетона к самовосстановлению спустя много лет после создания этих монументальных сооружений. были построены.

«Этот материал имеет историческую важность, а также научную и технологическую важность его понимания», — объясняет Масик. “Этот материал может исцелять себя в течение тысяч лет, он реактивен и очень динамичен. Он пережил землетрясения и вулканы. Он выдержал под водой и пережил разрушение под воздействием стихий. Сегодня мы не хотим полностью копировать римский бетон. Мы просто хотим перевести несколько предложений из этой книги знаний в нашу современную строительную практику”.

Выводы описано сегодня в Природные коммуникации. К Масику в работе над статьей присоединяются первые авторы Элли Васерман ’25 и главный научный сотрудник Джеймс Уивер, а также доцент Кристин Бергманн, кандидат наук Клэр Хейхоу и шесть других итальянских сотрудников.

Раскрытие древних тайн

Масик потратил почти десять лет на изучение химического состава бетона, который позволил знаменитым сооружениям Рима просуществовать гораздо дольше, чем их современные аналоги. В его статье 2023 года был проанализирован химический состав материала, чтобы понять, как он был изготовлен.

В этой статье использовались образцы городской стены в Приверно на юго-западе Италии, которая была завоевана римлянами в 4 веке до нашей эры. Но возник вопрос, была ли эта стена репрезентативной для других бетонных сооружений, построенных по всей Римской империи.

Таким образом, недавнее открытие археологами активной древней строительной площадки в Помпеях (с грудами сырья и инструментами) открыло беспрецедентную возможность.

Для исследования исследователи проанализировали образцы из этих предварительно смешанных куч сухого материала, стены, которая находилась в процессе строительства, завершенных контрфорсов и несущих стен, а также ремонтного раствора в существующей стене.

«Нам повезло, что мы смогли открыть капсулу времени строительной площадки и найти груды материала, готового к использованию для стены», — говорит Масик. «В этой статье мы хотели четко определить технологию и связать ее с римским периодом 79 года н. э.»

Это место предоставило самые яркие доказательства того, что римляне использовали горячее смешивание при производстве бетона. Мало того, что образцы бетона содержали обломки извести, описанные в предыдущей статье Масика, команда также обнаружила неповрежденные фрагменты негашеной извести, предварительно смешанные с другими ингредиентами в куче сухого сырья, что является важным первым шагом в приготовлении горячей бетонной смеси.

Бергман, доцент кафедры наук о Земле и планетах, помог разработать инструменты для дифференциации материалов на этом участке.

«Благодаря этим исследованиям стабильных изотопов мы могли проследить за этими критическими реакциями карбонизации с течением времени, что позволило нам отличить горячую известь от гашеной извести, первоначально описанной Витрувием», — говорит Масик. «Эти результаты показали, что римляне готовили свой связующий материал, беря обожженный известняк (негашеную известь), измельчая его до определенного размера, смешивая его в сухом виде с вулканическим пеплом, а затем, в конечном итоге, добавляя воду для создания цементирующей матрицы».

Исследователи также проанализировали вулканические ингредиенты в цементе, в том числе разновидность вулканического пепла, называемую пемзой. Они обнаружили, что частицы пемзы со временем химически вступали в химическую реакцию с окружающим раствором пор, создавая новые минеральные отложения, которые еще больше укрепили бетон.

Переписывая историю

Масик говорит, что археологи, указанные в качестве соавторов статьи, сыграли незаменимую роль в исследовании. Когда Масич впервые вошел в Помпеи и осмотрел прекрасно сохранившуюся рабочую зону, у него на глазах выступили слезы.

«Я ожидал увидеть римских рабочих, ходящих между сваями со своими инструментами», — говорит Масик. “Это было настолько ярко, что казалось, что ты перенесся во времени. Так что да, я взволнован, глядя на кучу грязи. Археологи пошутили”.

Мэсик отмечает, что кальций является ключевым компонентом как в древнем, так и в современном бетоне, поэтому понимание того, как он реагирует с течением времени, также дает уроки для понимания динамических процессов в современном цементе. В рамках этих усилий Масик также основал компанию DMAT, которая использует уроки древнеримского бетона для создания долговечного современного бетона.

«Это актуально, потому что римский цемент долговечен, он заживляет сам себя и представляет собой динамическую систему», — говорит Масик. “То, как эти поры в вулканических ингредиентах могут быть заполнены посредством рекристаллизации, – это процесс мечты, который мы хотим воплотить в наших современных материалах. Нам нужны материалы, которые регенерируют сами себя”.

Что касается Витрувия, Масич предполагает, что его, возможно, неправильно истолковали. Он указывает, что Витрувий также упоминает скрытое тепло во время процесса смешивания цемента, что, в конце концов, может указывать на горячее смешивание.

Работа была частично поддержана Комитетом поддержки исследований MIT (RSC) и Центром устойчивого развития бетона MIT.