Римский бетон химическая сущность затвердевания цемента - Ремонт и дизайн от ZerkalaSPB.ru
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Римский бетон химическая сущность затвердевания цемента

Раскрыт секрет прочности древнеримского бетона

В 79 году н. э. древнеримский мыслитель Плиний Старший в своём сочинении «Естественная история» писал, что римские гавани, подверженные постоянному воздействию морской воды, ​​становятся крепче с каждым днём.

Почему сделанный древними римлянами бетон такой долговечный? Учёные из США, Китая и Италии узнали секрет древнеримского бетона, который остаётся крепким даже через 2000 лет. Всё дело в веществах, которые содержались в основном компоненте «жидкого камня» римлян, вулканическом пепле и морской воде, которые при взаимодействии делают бетон всё прочнее со временем.

Римляне использовали бетон для создания многих известных сооружений, таких как Пантеон, рынки Траяна в Риме, а также огромные морские сооружения волнорезы для защиты гаваней.

Предметом исследования учёных стали бетонные сооружения-волноломы, которые соорудили римляне в порту Остии (ныне район Рима), Орбетелло, Поццуоли и Анцио. Эти сооружения, построенные в море, не только не разрушались от морской воды, но делались прочнее. Это отличает римский бетон от современного, который напротив, от контакта с водой разрушается из-за образования в нём щелочно-силикатного геля. Металлическая арматура современного бетона хоть и упрочняет конструкцию, но в воде металл ржавеет.

Римляне делали свой бетон из вулканического пепла, извести и морской воды.
В 2009 году учёные провели анализ образцов бетона, и выяснили, что в составе древнего бетона присутствуют кристаллы Al-tobermorite — тоберморит алюминия — очень редкий минерал. Al-tobermorite может заполнять пузырьки и полости в базальтовых породах. Это удивило исследователей, так как даже изготовление его в лаборатории требует температуры более +80С и получить его удается немного, но римлян получили тоберморитом алюминия при температуре окружающей среды.
«Никто никогда не производил тоберморит при 20 °С. Кроме римлян», — говорит Мари Джексон, ведущий автор исследования.

Тоберморит алюминия имеет кристаллы, подобные тем, что образуются в вулканических породах, при реакции вулканического пепла с известью и морской водой, скрепляют конструкцию изнутри, усиливают цемент и препятствуют его хрупкости.

Проведя дополнительные анализы древнего бетона исследователи обнаружили, что в нём появились новые минералы, в том числе филлипсит (лат.phillipsite) — каркасный силикат из группы цеолитов. Исследователи предполагают, что под действием морской воды проникающей в бетон в волнорезах и в морских причалах, растворяются компоненты вулканического пепла и происходит выращивание новых минералов.

Таким образом, чем дольше бетон находится в морской воде, тем больше образуется кристаллов, которые склеивают древний берон изнутри, делая его только прочнее со временем.

Учёные пытаются раскрыть секреты римского бетона, чтобы воссоздать его аналог в будущем. По их словам, которые приводит пресс-релиз, древний бетон менее прочный на сжатие, чем современный, так что его аналог использовать повсеместно было бы непрактично. Но так как он намного долговечнее современного, то мог бы пригодиться для тех же целей, что и использовался в исследованных образцах — для строительства молов, стен для укрепления берега и волноломов, или в строительстве приливных электростанций, где не так критична прочность на сжатие, но не помешает долговечность.

Древнеримский бетон и порты. ROMACONS проект буровые площадки, зелёные круги: 1 = Порт Cosanus, 2 = Порт Траян, 3 = Порт Neronis, 4 = Baianus Sinus. Вулканические районы, красные треугольники

На земле не так уж много мест, где есть значительные запасы вулканического пепла нужной консистенции, но восстановление этой технологии может быть экономически оправданно. Сейчас учёные думают над тем, как заменить недостающие компоненты для производства ультра прочного бетона в промышленных масштабах.

Древнеримский бетон оказался лучше современного

К этому выводу пришла международная команда исследователей во главе с ученым Пауло Монтейро из Berkeley Lab, изучая химические секреты древнеримского волнореза, который 2000 лет простоял в водах Средиземного моря. Анализ проб древнеримского бетона показал, что он превосходит распространенные марки современного бетона по прочности, а главное – по экологичности. Ученые заявляют, что древний рецепт можно успешно использовать и сегодня и это не только принесет экономическую пользу, но и снизит вред для окружающей среды.


Древние римляне изготавливали выдающийся цемент, который во многом превосходил многие современные марки данного стройматериала

Надо отметить, что все вышесказанное не говорит о том, что современный бетон плох, но так называемый портландцемент (основной вид цемента на основе силикатов кальция) загрязняет воздух парниковым газом. На мировое производство 19 млрд. тонн цемента ежегодно приходится 7% от общих техногенных выбросов углекислого газа. Это связано с тем, что для изготовления портландцемента необходимо нагреть смесь известняка и глины до 1450 градусов Цельсия, а это требует сжигания ископаемого топлива.

Ученые обнаружили, что в своем рецепте цемента римляне использовали гораздо меньше извести и производили цемент при температуре 900 градусов Цельсия – в промышленных масштабах это существенная экономия ресурсов и сокращение выбросов CO2 от сжигания топлива.

Но и это не все. В середине XX-го века бетонные конструкции были рассчитаны на 50 лет службы и теперь многие из них сегодня в предаварийном состоянии. Нынешние, наиболее современные, бетонные здания рассчитаны уже на 100-120 лет безопасной эксплуатации. Однако все это «игрушки» на фоне срока службы римских портовых сооружений, которые сохранили рабочее состояние спустя 2000 лет агрессивного химического и механического воздействия морских волн.

Читать еще:  Плиточный клей без цемента

Суть в том, что римские строители производили цемент, смешивая известь и вулканические породы. Для морских сооружений применялся особый цемент: смесь извести и вулканического пепла. Эту смесь помещали в деревянные формы, куда добавляли морскую воду, которая мгновенно вызывала высокотемпературную химическую реакцию гашения извести. В итоге получались прочнейшие цементные блоки, основным склеивающим веществом в которых является не соединение кальций-силикат-гидраты (C-S-H), а кальций-алюминий-силикат-гидрат(C-A-S-H).

Проще говоря, римский бетон отличался от нынешнего добавлением алюминия и меньшим количеством кремния. Расчеты показали, что римский цемент требует для производства на 10% меньше извести и более низкую температуру, в сравнении с портландцементом. Добавление вулканической золы и морской воды формирует высокостабильный цементный блок либо другую бетонную конструкцию, которая прослужит намного дольше обычного.

Плюсом является то, что сырья для римского цемента в избытке, например в Саудовской Аравии. По приблизительным оценкам исследователей, римский цемент может занять до 40% современного рынка этого стройматериала.

LiveInternetLiveInternet

  • Регистрация
  • Вход

Метки

Рубрики

  • Интересные сведения (548)
  • Наука, технология (466)
  • Роботы, андроиды (22)
  • Большой адронный коллайдер LHC (22)
  • Экономика и финансы, политика (322)
  • Политика (312)
  • Экономика, финансы (45)
  • Синие ведёрки (7)
  • Интересное видео (305)
  • Гражданин поэт (38)
  • Прочее (296)
  • Разные места (281)
  • Путешествия Ирины М. (1)
  • Приколы (252)
  • Зверьё (237)
  • Интересные люди (189)
  • И это всё моё (152)
  • Щепка проплыла (30)
  • Я так думаю! (23)
  • Там и сям (21)
  • Мой круг (20)
  • Уроки английского (8)
  • Полезное (146)
  • Музыка (138)
  • Сильнодействующие музыкальные средства (9)
  • Хорошие песни о плохом (5)
  • Медицина, здоровье (90)
  • Живопись,рисунки (90)
  • От Ирины Ронисс (84)
  • Кошки (52)
  • Игры (49)
  • Анимация (45)
  • Народные умельцы (41)
  • Балет, танцы Ballet,dance (32)
  • Сверхспособности (27)
  • Сделай сам (19)
  • Декупаж (2)
  • Цирк (19)
  • Цветы (9)
  • Зрительные иллюзии (7)
  • Вычитала (2)

Музыка

  • Все (2)

Я — фотограф

  • К приложению

Поделки

Всегда под рукой

  • К приложению

Поиск по дневнику

Подписка по e-mail

Статистика

Древнеримский бетон оказался лучше современного

Удивительно, но древний рецепт цемента, который создали более 2000 лет назад, оказался лучше современного.

К этому выводу пришла международная команда исследователей во главе с ученым Пауло Монтейро из Berkeley Lab, изучая химические секреты древнеримского волнореза, который 2000 лет простоял в водах Средиземного моря. Анализ проб древнеримского бетона показал, что он превосходит распространенные марки современного бетона по прочности, а главное – по экологичности. Ученые заявляют, что древний рецепт можно успешно использовать и сегодня и это не только принесет экономическую пользу, но и снизит вред для окружающей среды.

Древние римляне изготавливали выдающийся цемент, который во многом превосходил многие современные марки данного стройматериала

Надо отметить, что все вышесказанное не говорит о том, что современный бетон плох, но так называемый портландцемент (основной вид цемента на основе силикатов кальция) загрязняет воздух парниковым газом. На мировое производство 19 млрд. тонн цемента ежегодно приходится 7% от общих техногенных выбросов углекислого газа. Это связано с тем, что для изготовления портландцемента необходимо нагреть смесь известняка и глины до 1450 градусов Цельсия, а это требует сжигания ископаемого топлива.

Ученые обнаружили, что в своем рецепте цемента римляне использовали гораздо меньше извести и производили цемент при температуре 900 градусов Цельсия – в промышленных масштабах это существенная экономия ресурсов и сокращение выбросов CO2 от сжигания топлива.

Но и это не все. В середине XX-го века бетонные конструкции были рассчитаны на 50 лет службы и теперь многие из них сегодня в предаварийном состоянии. Нынешние, наиболее современные, бетонные здания рассчитаны уже на 100-120 лет безопасной эксплуатации. Однако все это «игрушки» на фоне срока службы римских портовых сооружений, которые сохранили рабочее состояние спустя 2000 лет агрессивного химического и механического воздействия морских волн.

Суть в том, что римские строители производили цемент, смешивая известь и вулканические породы. Для морских сооружений применялся особый цемент: смесь извести и вулканического пепла. Эту смесь помещали в деревянные формы, куда добавляли морскую воду, которая мгновенно вызывала высокотемпературную химическую реакцию гашения извести. В итоге получались прочнейшие цементные блоки, основным склеивающим веществом в которых является не соединение кальций-силикат-гидраты (C-S-H), а кальций-алюминий-силикат-гидрат(C-A-S-H).

Проще говоря, римский бетон отличался от нынешнего добавлением алюминия и меньшим количеством кремния. Расчеты показали, что римский цемент требует для производства на 10% меньше извести и более низкую температуру, в сравнении с портландцементом. Добавление вулканической золы и морской воды формирует высокостабильный цементный блок либо другую бетонную конструкцию, которая прослужит намного дольше обычного.

Плюсом является то, что сырья для римского цемента в избытке, например в Саудовской Аравии. По приблизительным оценкам исследователей, римский цемент может занять до 40% современного рынка этого стройматериала.

РЕЦЕПТЫ РИМСКОГО БЕТОНА

Теперь реальным стало только Что можно было взвесить и измерить. Коснуться пястью, выразить числом.

Читать еще:  Для чего цемент нужен для фундамента

Когда инженеры-строители начинают профессиональный раз­говор о бетоне, то их в первую очередь интересует его прочность, отношение к морозу и воде. Для того чтобы бетон и бетонные сооружения обладали всеми требуемыми характеристиками, не­обходимо точно знать рецепт бетона — состав, т. е. соотношение всех его компонентов. В конечном виде состав бетона записывают в виде весового или реже объемного соотношения, например, 1:2:4 (цемент:песок:щебень или гравий), т. е. на одну часть цемента приходится две части песка и четыре части щебня или гравия. Определив заранее расход цемента и воды, можно, пользуясь указанным соотношением, легко вычислить расход каждого из заполнителей. Однако перед тем, как подойти к рецептам для бетона, необходимо выяснить еще один важный вопрос — роль заполнителей — песка и крупных камней в бетоне. Как они влияют на свойства бетона, да и нужны ли они вообще в бетоне?

Сразу же необходимо сказать, что без заполнителей нельзя изготовить бетон. Присутствие их в бетоне, как было установлено, значительно улучшает строительно-технические свойства матери­ала и, в первую очередь, такие, как водонепроницаемость, Деформативность и прочность. Кроме того, заполнители намного Дешевле вяжущих веществ, поэтому экономически более выгодно, чтобы в бетонной смеси их было как можно больше.

Несомненно, что, начав работать с бетоном, римляне не могли Не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобст — Ва их применения уже с середины I в. до н. э. вводится классифи­кация заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в зависимости от назначения будущего бетонного сооружения.

Этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов. 1ак, по виду и условиям залегания пески подразделялись, как и

.теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде — котлованные. При этом существовало. допол­нительное разделение каждого вида песка по окраске и загряз­ненности.

Витрувий в кн. II, гл. 4 писал о том, что «. Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке». В большинстве слу­чаев он советовал применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ — очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев неже­лателен, так как содержит примеси солей, которые ведут к вы­цветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строитель­ства. Такое утверждение не противоречит современным техничес­ким условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что запол­нители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно про­мывались.

Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. «Надо добывать камень не зимою, а летом,— пишет Витрувий (кн. II. гл. 4),— и оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся испорченным, пойдет для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность. »

Методы определения чистоты заполнителей были весьма прос­тыми, а требования к ним более жесткими. «. Если насыпать песок на белое полотенце и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и землистого осадка, то будет годен. » (Витрувий, кн. II, гл. 4).

Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометриче­ский) состав его заполнителей. Песок и щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в заполнителе, тем меньше требуется вяжущего вещества для получения плотного бетона.

О том, что римляне придавали большое значение зерновому со­ставу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных в наше время. Так’ при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель. с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов мос­та Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подоб­ных примеров. Следует также отметить частое использование дробленого щебня, причем «. не тяжелее фунта» (т. е. 327 г), как требует этого Витрувий.

Вероятно, к началу I в. н. э. римскими строителями было уста­новлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочислен­ными примерами. Так, при строительстве Колизея в бетоне был применен заполнитель трех видов: для фундаментов — плотный и тяжелый щебень из высокопрочной лавы, для стен — более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях — легкая пемза и туф.

Теперь вновь обратимся к составу бетона—его рецептуре. Вероятно, нет необходимости убеждать читателя в том, что из одних и тех же продуктов разные повара могут приготовить раз­ные по вкусу блюда. Зависеть это будет, в первую очередь, от соотношения продуктов, которые будут закладываться в кастрю­лю. Подобное происходит и с приготовлением бетона. Можно представить, какими искусными «кулинарами» должны были быть античные мастера-строители, если, не имея под рукой ме­ханизированного оборудования и даже элементарных весов они получали достаточно качественные по составу бетоны и рас­творы.

Читать еще:  Если не полить цементным молочком

О выборе состава раствора в зависимости от назначения и вида применяемого песка имеются определенные указания Витру — вия и других античных авторов. Относительно же состава бетона таких указаний ни у кого из них нет, за исключением туманных рекомендаций Плиния Старшего. Однако, если вспомнить, как готовился бетон в Древнем Риме, станет ясным, почему там не было специальных рекомендаций о его составе.

Бетон в то время приготавливали в основном раздельным способом, т. е. отдельно в специальных емкостях замешивали известковый раствор и укладывали его слоями в опалубку, чере­дуя со слоями крупного заполнителя. Поэтому, если состав рас­твора был необходим в первую очередь для получения требуемой консистенции смеси и всегда указывался в правилах производства работ, то количество щебня или гальки, по-видимому, играло второстепенную роль, и поэтому не учитывалось. Правда, в от­дельных видах гидротехнических работ количество щебня в общем объеме бетона все-таки задавалось. Так, Плиний приводит состав гидротехнического бетона из извести, пуццоланы и битого туфа в пропорции 1:2:1. Другой вид бетона без указания состава, Употреблявшийся для постройки цистерн состоял, по Витрувию, из чистого песка, щебня или булыжника весом не более одного Фунта и самой хорошей извести.

Можно предположить, что в то время уже существовали элементарные методы расчета состава раствора, так как римлянам

4 Зак 88ф Были хорошо известны способы определения объема различных геометрических фигур и они могли рассчитывать общее количество раствора и бетона на любой заданный объем. Вяжущее вещество и заполнители принимались в зависимости от назначения работ в соотношениях, указанных выше, а количество воды подбиралось «на глаз». При этом важно подчеркнуть, что римляне были хорошо осведомлены о том, что избыток воды в смеси всегда нежелателен, на что указывал, в частности, Плиний. Воду поэтому, скорее всего, заливали в смесь не всю сразу, а постепенно, доводя раствор до требуемой консистенции.

С тех пор как в конце XVIII в. в Европе появились первые ма­шины по испытанию материалов, стали испытывать и образцы римского раствора и бетона, отобранные из различных сооруже­ний. Правда, было обнаружено, что данные имеют немалый раз­брос, который усугубляется различным сроком службы со­оружений— в пределах 50—350 лет. Однако отдельные выводы по результатам испытаний сделать можно. Можно предположить, что активность древнеримских вяжущих в зависимости от их вида была в пределах 0,5—15 МПа: в частности, для воздушной из­вести 0,5—1 МПа; для гидравлической 1,5—2 МПа; для из — вестково-цемяночного и известково-пуццоланового цемента 3— 10 МПа и вяжущего типа романцемента 5—15 МПа.

Очевидно, что производимые в то время бетоны также обладали различной прочностью в зависимости от вида вяжущего, водо — вяжущего отношения, тонкости помола пуццолановых добавок и других трудно учитываемых факторов.

В 80-х годах нашего века западногерманские ученые провели серию испытаний бетонных образцов, взятых в районе Кельна, Зальбурга и других городов Западной Германии — бывшей рим­ской провинции. Бетонные образцы были отобраны из стен до­мов, сводов зданий, стен бассейнов и других сооружений. При этом было обнаружено, что прочность на сжатие бетонных образ­цов имела от 0,5 до 50 МПа в зависимости от вида сооружений, хотя преобладающей оказалась прочность порядка 7—12 МПа. Максимальное значение прочности — 50 МПа — обнаружено У бетонных полов. Стены и своды зданий показали гораздо мень­шую прочность, а бетон из стен бассейна — всего 5 ААПа. Это свидетельствует о том, что римляне, изготавливая водонепро­ницаемые сооружения, не стремились получить при этом проч­ный бетон.

Основываясь на многочисленных описаниях римских сооруже­ний и результатах испытаний, можно предположить, что римские бетоны в зависимости от вида применяемого вяжущего и запол­нителя имели среднюю плотность от 700 до 2200 кг/м3, водо — поглощение 5—20% и пористость порядка 20—40%.

Несмотря на такие большие диапазоны значений физико-ме­ханических показателей испытанных образцов, большинство римских бетонных сооружений оказались долговечными. Это подтверждает вывод, отдельных исследователей о том, что ни прочность, ни пористость бетона не могут служить основным кри­терием при определении его долговечности. Вероятно, значения этих показателей наиболее важны в течение первых лет работы конструкции, а в дальнейшем они нивелируются.

Сегодня трудно оценить и проанализировать составы римского бетона только по соотношению их компонентов при большом количестве неизвестных, тем более, что данные относительно действительного состава бетона и его структурных характеристик у многих исследователей вызывают сомнения. Можно лишь утвер­ждать, что хорошее современное состояние отдельных бетонных сооружений Древнего Рима свидетельствует о превосходном качестве применяемого исходного материала, рационально подо­бранном составе бетона и надлежащем качестве строительных работ.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector