Долгое время секрет долговечности таких зданий, как Пантеон, являлся загадкой. Исследователи из США утверждают, что им удалось разгадать эту тайну: все дело в методике составления бетонной смеси.
«Современный Пантеон не существовал бы без бетона, созданного во времена Римской империи», — сообщил профессор Адмир Масик, специалист по гражданской и экологической инженерии из Массачусетского технологического института, ставший ведущим автором исследования.
Но, добавил он, несмотря на мнение римского философа Плиния Старшего, что бетон может становиться прочнее с возрастом, крайне маловероятно, что римляне хорошо разбирались в химии или в том, как долго сможет продержаться их бетон.
«Они знали, что это отличный материал, но они, скорее всего, не могли предполагать, что римский бетон прослужит тысячи лет», — заявил профессор Масик.
Причина вечности римского бетона
Известно, что этот искусственный камень производился с использованием кусков вулканической породы и других заполнителей, его скреплял раствор, приготовленный из нескольких ингредиентов, включая пуццолан (к примеру, вулканический пепел), известковый материал (оксид кальция) и воду.
В ходе предыдущих исследований причин необычайной прочности бетона Римской империи ученые обнаружили, что в состав материала римских волноломов и пирсов входит глиноземистый минерал тоберморит и филлипсит, которые помогали армировать бетон.
Теперь исследователи считают, что методы, используемые для приготовления римского бетона, также могут помочь объяснить, почему он выдержал испытание временем.
В статье, опубликованной в Science Advances, Адмир Масик и его коллеги отмечают, что в образцах римского бетона содержатся небольшие комочки – обломки извести – которых нет в конструкциях современной эпохи.
Прежде это объяснялось плохим промешиванием раствора или другими ошибками древнеримских бетонщиков. Но теперь команда ученых подозревает совсем другие причины.
Самовосстановление римского бетона
Профессор Масик с коллегами изучили образцы искусственного камня, полученные со стены в древнеримском городе Привернум, расположенном неподалеку от Рима. Они обнаружили, что обломки извести в этих камнях содержат различные формы карбоната кальция, часть которых имеет тенденцию образовываться в условиях недостатка воды.
Исследователи выяснили, что обломки имели пористую и трещиноватую структуру, что также свидетельствует о том, что формирование бетонного камня происходило в условиях высокой температуры и низкого содержания воды.
По мнению ученых, это говорит о том, что негашеную известь в Древнем Риме не смешивали с водой перед добавлением к другим ингредиентам. Скорее всего ее прежде добавляли к золе и наполнителям, а лишь затем вливали воду.
Этот подход к составлению бетонной раствора известен как «горячее смешивание» из-за выделяемого тепла. Команда ученых отмечает, что эти высокие температуры не только помогали раствору схватиться, но также понижали содержание воды внутри и вокруг фрагментов извести, что объясняет состав римского бетона.
Исследователи высказали предположение, что образовавшиеся в результате это процесса фрагменты извести способствовали «самозалечиванию» бетона, поскольку вода, просачивающаяся в трещины в этом искусственном камне, растворяла карбонат кальция при просачивании через известковые фрагменты.
Следом происходило «самовосстановление» трещины в бетоне – либо из-за реакции этой богатой кальцием жидкости с вулканическим материалом, либо из-за перекристаллизации карбоната кальция. И действительно, отмечают ученые, недавно в многовековом римском бетоне были обнаружены трещины, заполненные карбонатом кальция.
Чтобы проверить свою теорию, команда профессора Адмира Масика изготовила бетон в римском стиле, который затем был подвергнут механической нагрузке и сломан. Следом ученые выставили кусочки разбитого бетона в 0,5 мм друг от друга и подвергли их воздействию проточной воды на протяжении 30 суток. Результат был таким: содержащие фрагменты извести образцы обломков оказались спаяны новообразованным кальцитом. В то же время контрольные образцы бетона, изготовленные без образования фрагментов извести, оставались разъединены.
Профессор Масик подчеркнул, что римский подход к бетонированию может оказаться полезным в современном строительстве.
«Вдохновленные римлянами методы подготовки смеси, основанные, к примеру, на горячем соединении материалов, могут стать экономически эффективным средством продления срока службы бетонной инфраструктуры за счет механизмов самовосстановления, проиллюстрированных нами в этом исследовании», — заявил он.