№ 4

Декабрь/2022

Russian Traveler 04/2022

Раскрыт секрет прочности древнеримского бетона

Фото: Wikimedia Commons

Древнеримский пантеон, построенный между 118 и 128 годами н. э.

Он кроется в способе замешивания.

Древние римляне были непревзойденными мастерами во многом, в том числе – строительстве и инженерии. Наиболее известными их творениями можно назвать акведуки – древние водоводы. И эти все еще функциональные творения основаны на уникальном строительном материале: невероятно прочном пуццолановом цементе, который придавал постройкам долговечность.

Одно из великих сооружений римлян – Пантеон, или «Храм всех богов», построенный между 118 и 128 годами нашей эры, – сохранилось до наших дней и, помимо этого, является рекордсменом по величине купола из неармированного (то есть не укрепленного каркасом) бетона во всем мире.

Необыкновенные свойства «римского бетона» обычно приписываются его ингредиентам. Во-первых, это пуццолан – смесь вулканического пепла, названная в честь итальянского города Поццуоли, где можно найти богатое месторождение вещества. Второй ингредиент – известь. При смешивании с водой эти два материала могут образовать очень прочный цемент.

Но это, как оказалось, не вся разгадка. Международная группа исследователей во главе с Массачусетским технологическим институтом (MIT) обнаружила, что не только материалы, использовавшиеся римлянами, имели уникальные свойства, но и методы их смешивания заметно отличались от современных способов создания цемента. Ученые заострили внимание на вкраплениях извести, которые обнаруживались в, казалось бы, хорошо перемешанном материале.

«Меня всегда беспокоила мысль о том, что присутствие этих обломков извести просто связано с низким контролем качества. Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептам, которые совершенствовались в течение многих веков, почему они не позаботились о том, чтобы перемешать цемент? В этой истории должно быть что-то большее», – Адмир Масик, ведущий автор исследования из MIT.

Масик и его команда тщательно изучили 2000-летние образцы римского бетона из археологических раскопок Привернум в Италии. Эти образцы были подвергнуты сканирующей электронной микроскопии большой площади, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции и конфокальной рамановской визуализации.

Гашеная известь считалась одним из главных ингредиентов пуццоланового цемента. Считалось, что известняк нагревают при высоких температурах для получения высокореактивного едкого порошка, называемого негашеной известью, или оксидом кальция. При смешивании негашеной извести с водой получается гашеная известь, или гидроксид кальция: немного менее реактивная и менее едкая паста. Согласно теории исследователей, именно эту гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланом.

Но, согласно новым выводам, обломки извести в образцах не соответствуют этому методу. Скорее всего, «римский бетон» изготавливали путем смешивания негашеной извести непосредственно с пуццоланом и водой при чрезвычайно высоких температурах, отдельно или в дополнение к гашеной извести. Этот процесс исследователи назвали «горячим смешиванием», в результате которого и образуются обломки извести.

Как оказалось, у такого способа немало преимуществ. Например, обломки извести придают цементу замечательную способность к самовосстановлению.

Когда в бетоне образуются трещины, они перемещаются к обломкам извести, которые имеют большую площадь поверхности, чем другие частицы в матрице. Когда вода попадает в трещину, она вступает в реакцию именно с известью, образуя раствор, богатый кальцием, который высыхает и затвердевает в виде карбоната кальция, склеивая трещину и предотвращая ее дальнейшее распространение.

Аналогичный процесс был замечен у бетона из гробницы Цецилии Метеллы, где трещины были заполнены кальцитом. Это также может объяснить, почему римский бетон из морских дамб, построенных 2000 лет назад, сохранялся целым на протяжении тысячелетий, несмотря на постоянное воздействие океана.

Ученые подтвердили свои выводы, изготовив пуццолановый цемент по старинным и современным рецептам с использованием негашеной извести. Они также сделали контрольный образец без негашеной извести и провели испытания на трещинообразование. Действительно, треснувший бетон из негашеной извести полностью «зажил» в течение двух недель, но контрольный бетон остался испещрен трещинами.

Сейчас команда работает над коммерциализацией своего метода как более экологически чистой альтернативы существующим строительным материалам.