Геополимерен бетон, египетски пирамиди и нов начин за бъдещето с природоцелесъобразно зидарство
Да не се изненадвате: Може да бъркаме за това как древните египтяни са построили Голямата пирамида. Десетилетия ученици са учени на преобладаващата теория - пирамидите били построени от огромни блокове солиден камък, дялан на ръка от далечни каменоломни и пренасян през изгарящите пустинни пясъци. Ние си представяме - благодарение най-вече на Сесил Б. ДеМил (Cecile B. DeMille) - че хиляди голи и боси, потящи се роби, овързани в дебели конопени въжета, влачели огромни четвъртити каменни блокове нагоре по стръмни рампи. Подвигът изглежда толкова невероятен, че някои хора се чудят дали египтяните не са получили помощ от други планети. Бидейки винаги един рационален глас в стаята - Нийл деГрас Тайсън (Neil deGrasse Tyson) контрира, "само защото не можете да се досетите как една древна цивилизация е строила разни неща, това не значи, че е получила помощ от извънземни".
Обмислянето на това как са били построени пирамидите има интересни приложения отвъд египтологията. Очакваният срок на годност на днешните строителни материали въобще не се доближава до 4000 години. И много от модерните ни строителни процеси консумират толкова много енергия и отделят толкова много СО2, че много бързо унищожаваме самия свят, който работим да изградим. Египтяните явно са знаели нещо, което ние не знаем, относно локално достъпните материали за построяването на изключително издръжливи сгради без да оставят огромна следа в околната среда, което е толкова типично днес. Дали египтяните са използвали умовете си толкова, колкото и мускулите си, и ако да, какво можем да научим от тях?
Великите пирамиди на Гиа - отляво надясно, голямата пирамида на Кхуфу, 146.6 м; пирамидата на Кафра, 136.7 м; пирамудата на Менкуаре, 65.5 м; пирамидите на цариците. Снимка - Дейвид Холт.
Скептицизмът, който адресира Тайсън, идва от логично място. Въпреки обичайните учения за строежа на пирамидите в Гиза, подвигът на строежа изглежда почти неприемливо. Великата пирамида на Кхуфу е била най-високата направена от човека постройка на земята в продължение на 3800 години - 16 пъти по толкова, колкото време е съществувала държавата ни (САЩ, бел.прев) - до построяването на катедрала Линкълн в Англия (
катедрала "Св. Мария", бел.прев). Когато била построена, пирамидата имала дължина 230 метра на всяка от страните си, висока 146 м и била изградена от 2.3 милиона камъка, тежащи средно почти по три тона всеки. Много от снадките между камъните са толкова акуратни, че между два камъка не може да се прокара човешки косъм.
Според това, което са ни учили, добити от каменоломна каменни блокове, тежащи по няколко тона, били пренасяни до пирамидите преди изобретяването на колелото. Били са изкопани от лицето на хълмове с медни сечива, тоест меки сечива. И цял един град от работници били поместени в жилища и лагери около пирамидите в продължение на десетилетия. Изглежда толкова трудно да си го представим, още по-трудно да го повярваме. И твърде малко доказателства съществуват в подкрепа на тази идея - никога не са намирани медни сечива на мястото, не са останали доказателства за жилищата и лагерите на толкова много работници, и не съществуват ясни йероглифи, документиращи ломенето на камъните, транспорта, нито пък повдигането на тези блокове по рампите.
Филмът на Сесил Б. ДеМил (Cecile B. DeMille) "Десетте заповеди", от една страна не е специално за построяването на Великите пирамиди, но е допринесъл за общоприетата представа в много от умовете ни, обясняващи построяването на пирамидите. През 80-те години един френски учен по материалознание на име Джоузеф Давидовиц (Joseph Davidovits) предложи един много различен сценарий.
През 80-те години един френски учен по материалознание на име
Джоузеф Давидовиц предложи различна теория - египтяните се на пренасяли блоковете до пирамидите, а вместо това са правели блоковете един по един на самата строителна площадка. Давидовиц предложи, че блоковете са били формирани чрез отливане на един древен бетон - той го нарече геополимер - в дървени кофражи. Само част от работниците би била нужна, за да се пренасят кошници с влажен геополимерен бетон до дървени форми, поставени точно там, където е нужно да има блок. Снадките между отлетите бетонни блокове винаги ще са съвършено акуратни, тъй като компресираната влажна смес се втвърдява непосредствено срещу съседните блокове. Давидовиц предложи, че геополимерният бетон е бил направен от разбит варовик, глина, вода и вар, един силно алкален (обратното на киселинен) активарот, който карал разбитата варовикова смес да се преизгради в един направен от човека камък.
Съвсем разбираемо, теорията на Давидовиц предизвика доста смут сред египтолозите, историците, изследователите на материалознанието и всеки, когото го беше грижа, че едно обяснение за построяването на нещо емблематично като египетските пирамиди се обръщаше с главата надолу. Не само това, но ако египтяните са отливали блокове намясто от ранна форма на бетон, много установени теории, приписващи изобретяването на масово произвеждания бетон на римляните, щяха да се разминат с действителността с няколко хиляди години.
Човек би си представил, че модерните учени с електронните си микроскопи могат набързо да докажат дали Давидовиц е прав или е луд. И ето го Мишел Барсум (Michel Barsoum), професор по материалознание в университета Дрексел (Drexel University). Барсум, родом от Египет, никога не възнамерявал да се впуска в изучаване на пирамидите, но бил удивен от теорията на Давидовиц. Барсум бил още по-удивен да открие, че никой не е доказал - нито отхвърлил - идеята.
Барсум, заедно с дипломиран студент на име Адриш Гангули (Adrish Ganguly), започнал да изучава проби от вътрешните и външните облицовъчни камъни на пирамидите. Онова, което си мислели, че ще бъде неколкомесечно проучване, се оказало една 5 годишна одисея. В края на краищата, те отхвърлили някои от предположенията на Давидовиц, но доказали цялостната му теория.
Бележка от преводача: Доказателството им на PDF -
ТУКДълбок изкоп в лицето на една от пирамидите, построени от Снеферу - бащата на Кхуфу, който построил Великата пирамида - показва комбинация от нещо, което прилича на неправилно изрязани и ломени варовикови блокове, заобиколени от плътно снадени, отляти намясто геополимерни блокове. Снимка - Мишел Барсум (Michel Barsoum).
Барсум вярва, че египтяните наистина са отляли малка, но значителна част от блоковете в пирамидите. Неговият анализ с електронен микроскоп показва, че египтяните не са ползвали глина в геополимерната смес, както предлага Давидовиц, а вместо това са ползвали диатомитна земя, естествено срещащ се, нормално намиращ се мек утаечен камък, формиран от фосилизирани останки от водорасли.
Бележка от преводача: Диатомитът е естествено срещаща се, мека, силициева утаечна скала, която лесно се рони на фина бяла и полу-бяла пудра. Размерът на чсатиците варира от 3 микрометра до повече от 1 милиметър. Типичното съдържание на диатомита е 80-90% силициев диоксид с 2-4% алуминески съединения (най-вече заради съдържанието на глинести минерали) и 0.5-2% железен оксид.
Но важното е, че Барсум не е съгласен с Давидовиц, като предлага идеята, че не всички блокове са били отлят намясто геополимер. По-скоро, Барсум предлага, че египтяните са ползвали едновременно отлети от човека блокове и ломен варовик, пренесен до строителната площадка по начина, коюто предлага традиционното ни обяснение. Барсум вярна, че само външните облицовъчни камъни и блоковете на по-високите нива на пирамидите са били отлят геополимер. В това има смисъл - облицовъчните камъни са се виждали, така че отлетите намясто блокове с екстремно акуратни снадки биха били подходящи за екстрериора. А блоковете на по-високите нива на пирамидите били все по-трудни за достигане с ломени блокове - заменянето на тези с намясто отливан геополимер е било много по-лесно.
Лин Хобс (Linn Hobbs), професор по материалознание в Масачузецкия Технологичен институт, също добавя към оригиналната теория на Давидовиц и подкрепящото изследване на Барсум. Проучванията на Хобс са довели до възстановяването на геополимерен блок по пътя на обратното инженерство, съставен от разбит варовик, каолинит, силициев диоксид и натронни соли, вещество, откривано при изпарените останки от солени езера. Египтяните използвали солта натрон за мумифициране. Когато бъдат изложени на вода, натронните соли стават алкални, съвършени активатори за предизвикването на геополимерна реакция.
Както било предвидено, новите теории, предлагащи идеята, че дори малка част от камъните на пирамидите в Гиза са били направени от човека блокове, оформени от ранна форма на бетон, изригнали в огнена буря от съпротива и жлъч, най-вече от онези, които имали най-моно какво да загубят, когато установената теория се разпадне. Дори и Барсум да бил убеден, че един сериозен материален анализ може неоспоримо да докаже как били направени някои от блоковете на пирамидите, дебатът все още бушува.
Разграничаването на дебата от историческата дискусия може да хвърли важна светлина върху това как можем да подобрим днешните си строителни материали, като изследваме онова, което египтяните може да са направили. Просто самата идея за една зидария от древна форма на геополимерен бетон, оцеляла 4000 години, може завинаги да промени начина, по който строим днес.
Един блок от наземното ниво пред Великата пирамида на Кхуфу включва един неправилен ръб на дъното, който би бил много труден за издялане, освен това би било безсмислено да се прави. Този ръб е индикация, че блокът е бил отлят намясто - материалът на ръба се е разлял навън изпод временния дървен кофраж, преди да се втвърди. Барсум анализирал парченце от материала на долния ръб и казва, че не е открил директни доказателства. "Единственото логично заключение е, че след 5000 години скрепителната фаза на практика е била отмита. Какво е решението? Да се вземат проби от ядрото на този блок. По-лесно е да се каже, отколкото да се направи". Снимка - Майкъл Барсум.
Бетонът е най-обемистия материал, направен от човечеството. Използва се навсякъде по света в пътища, мостове, язовири и сгади. Ключовата скрепителна съставка в съвременния бетон - Портланд циментът - има ужасна въглеродна следа. Ние правим толкова много Портланд цимент, че само той е отговорен за 6% от световното отделяне на СО2.
Циментова фабрика в Китай. Само производството на цимент е отговорно за 6% от световните емисии на СО2.
Портланд циментът е изобретен в Англия в средата на 18 век и се прави чрез супернагряване на варовик и няколко други съставки в гигантски пещи. Огромната въглеродна следа излиза по два начина. Първо, много твърди горива са необходими за постигането на температурите на пещите - над 1100 градуса Целзий. Второ, химическата реакция, която създава Портланд цимента, включва изпичането на СО2 до момента, в който напуска варовика, СО2 който първоначално се е съдържал в костните останки на морските организми, изграждащи варовика. Въглеродните емисии от производството н Портланд цимент са толкова значителни, че произвеждането на един килограм Портланд цимент излъчва почти един килограм СО2 в атмосферата. Милиарди тонове Портланд цимент се произвеждат всяка година. Математиката е откровено плашеща.
А бетонът, направен с Портланд цимент, по издръжливост даже не се доближава до размера на невероятната си екологична следа, която струва. Бетонните мостове излизат от строя само след 50 години, това отчасти се дължи на суровите условия като пътната сол, тежкия камионен трафик и циклите на замръзване и топене. Докато относително стабилната околна среда при пирамидите на Гиза избягва много от суровите условия на съвременната градска среда, 4000-годишната издръжливост на постройките е индикация за удължения живот на сданията, който е възможно да се постигне с геополимерния бетон. Когато се вземе предвид и много по-малката въглеродна следа - геополимерните бетони като онези, които египтяните най-вероятно първи са разработили, имат една десета от въглеродната следа на бетоните на база Портланд цимент - геополимерите предлагат категорична алтернатива на съвременното статукво.
Мостът на Бахия Хонда при Флоридския Кей. Площадката от подсилен бетон е била инсталирана през 1938г и изоставена 34 години по-късно.
Геополимерният бетон е значително по-различен от бетона на база
Портланд цимент. Да опростим науката, Портланд циментът може да се сравни със силно лепило, докато геополимерната реакция се сравнява с двукомпонентна епоксидна смола. Портланд циментът залепя заедно съставките на бетона - камъни и пясък. Портланд циментът може да залепи заедно и други неща, като хартия под формата на
хартиен бетон. Това е една от причините Портланд циментът да е толкова популярен - той е толкова реактивен, че може да скрепи най-различни видове агрегати от относилетно силни строителни материали. Но тази висока реактивност идва на гигантска екологична цена.
Геополимерните реакции, от друга страна, изискват две части - източник на алуминести силикати, както и алкален активатор. Първото - алуминестите силикати - често се открива у вулканичната пепел. Второто - алкалният активатор - често се открива у варта. Когато двете се комбинират, химическата реакция води до получаването на силен бетон. Интересното е, че докато процесът по създаване на силни структурни връзки при Портланд цимента е различен от процеса при геополимерите, финалният продукт може да бъде почти идентичен - нещо, наречено калциево-силикатен хидрат или CSH (calcium-silicate hydrate).
Римляните често се споменават като изобретателите на бетона и те със сигурност са довели употребата му до съвършенство. Пантеонът в Рим до ден днешен е най-големият купол от неподсилен бетон, който все още е непокътнат 2000 години по-късно. Римляните не може да са правили бетон от вида, който ние днес правим - те не са имали такива пещи, способни на супер-загряване на варовика до над 1100 градуса Целзий. Вместо това, римляните са открили и разработили форма на геополимерен бетон. Те смесили вулканична пепел, добита от мините на остров Позоло (Pozzollo), с вар, направена чрез изпичане на варовик на относително ниска температура, за да се получи силен бетон, голяма част от който все още се издига около нас.
Таванът на Пантеона в Рим - най-големият купол от неподсилен бетон в света - все още стои, 2000 години по-късно.
Днес се изледват много нови форми на геополимерни бетони. Пепелният остатък от изгарянето на въглища за производството на електричество - наречен "летяща пепел" (fly ash) - споделя много от химическите характеристики на вулканичната пепел и служи като чудесен източник на алуминести силикати за геополимерна реакция. Фирмата
CalStar прави не-структурни лицеви тухли от летяща пепел, възползвайки се от преимуществата на геополимерите, които намалят енергийния еквивалент на традиционните тухли. Фирмата
CeraTech Inc. прави бетон без Портланд цимент, като комбинира летяща пепел с алкални активатори, за да създаде геополимерен бетон с голяма сила и значително намалени въглеродни емисии.
Само че, летящата пепел - днешната версия на римската позоланова пепел - идва със
свои собствени рискове. Летящата пепел съдържа значителни нива на тежки метали, останали от изгарянето на въглищата и летящата пепел е достъпна само там, където въглища се горят за електричество. Най-важното е, че на планетата няма достатъчно летяща пепел, за да бъде заменен Портланд цимента, който произвеждаме. Ами какво ако имаше по-обичаен източник на алуминести силикати отколкото е римската вулканична пепел или съвременната летяща пепел? Египтяните ще да са открили тъкмо това.
Пирамидите на Гиза, както се виждат от Международната космическа станция. Пирамидите са толкова големи, че ясно се виждат на фотография, направена с ръчен любителски дигитален фотоапарат от космоса. Размерът им също е поразителен в сравнение със заобикалящите ги постройки на модерно Кайро. Снимка - НАСА, ISS, Екипаж 032.
Винаги изпреварващи времето си, вещината на древните египтяни по материалознание може да им е позволила да създадат направен от човешката ръка камък почти единствено от сурова пръст. Въпреки че съществуват ясни доказателства за вулканичната активност в дългата история на Египет, малко вероятно е да са съществували значителни количества вулканична пепел, за да могат древните египтяни да построят такова количество камък. И
изследването по материалознание, проведено от Барсум, Хобс и други не открива вулканична пепел сред използваните от египтяните алуминести силикати, а вместо това открива местно достъпна почва - диатомитна почва, каолини, глини и варовик - активирани с алкален материал - натронни соли и вар. Това означава, че египтяните явно са били пионери на геополимерния бетон, който е просъществувал през историята на модерното човечество, направен от изобилно достъпни почвени материали, откриващи се почти навсякъде по планетата. Сравнете това с бетона, който ние правим, който трае половин век и оставя бедствена въглеродна следа.
Представете си как бихме могли да революционизираме съвременната бетонна зидария и индустрия, като преоткрием египетската формула. Ниска цена, екологична, издръжлива и силно устойчива зидария може да се върши почти навсякъде по планетата, от материали, откриващи се на местно ниво, и всичко това без скрепители с ултра-висок енергиен еквивалент като Портланд цимента.
Нашият сайт Watershed Materials, с помощта на Националната научна фондация, досега изследва тъкмо това.
Патенти на две фази на SBIR се прилагат за създаване на устойчива бетонна зидария с нулево количество Портланд цимент чрез геополимеризацията на алуминести силикати, откривани естествено в обикновени почвени материали. Ако имаме успех, може да сме в състояние да съживим част от науката, която е позволила на египтяните да създават направени от човешката ръка камъни, толкова устойчиви, че не само са устояли 4000 години, но и са заблудили модерните историци с изгледа си, който е идентичен с онзи на геологично формираните, ломени камъни.
Ние от Watershed Materials разработихме първия прототип от нова зидарска машина за блокове, която прилага интензивна компресираща сила, за да позволи контакт между частиците, какъвто е нужен за геополимеризация на обикновени почвени материали с относително ниска реактивност. Заедно с дизайна на нова машина за производство на екологична зидария, Watershed Materials разработва смесени дизайни с цел създаването на силна и устойчива геополимерна зидария от обикновени глини и почвени агрегати, откриващи се почти навсякъде по планетата.
Изследванията и разработките на Watershed Materials се прилагат специфично към зидарството - науката може да не се отнася до отливания бетон, използван в пътищата, мостовете и язовирите. Само че, зидарските бетонни блокове - иначе познати като пепелни блокове - са един от най-обичайните строителни материали, използвани по света. Десетки милиарди се произвеждат всяка година. Откриването на по-екологична алтернатива на бетонната зидария - такава, която използва видовете геополимери, за първи път открити от древните египтяни вместо Портланд цимента - ще измести огромно количество въглеродни емисии и ще позволи на развитите и на развиващите се икономики по света да произвеждат устойчиви, издръжливи зидарии от местно налични, нескъпи почвени материали.
Въпреки че може да сме грешали за това как древните египтяни са построили пирамидите, научаването на отговора има последствия за модерното материалознание и наука и съдържа нов път, по който да продължим напред, като заменим най-обичайните строителни материали на земята с далеч по-устойчива и екологична алтернатива.
