Долговечность римского бетона обусловлена сочетанием его ингредиентов и методов производства

Спустя почти два тысячелетия после расцвета Римской империи некоторые из её сооружений всё ещё стоят. Эти чудеса выдержали испытание временем: Пантеон в Риме, римские акведуки в Сеговии, Испания, и римские бани в Англии.

Долговечность этих сооружений во многом объясняется римским бетоном. Но что делает римский бетон таким особенным? Что такого в этом материале, что позволило сооружениям простоять тысячи лет?

Исследователи до сих пор ломают голову над тем, как именно был изготовлен римский бетон, но у них есть несколько подсказок, в том числе многие ингредиенты, входящие в его состав, и то, что он самовосстанавливается после дождя.

Как делают бетон

Прежде всего, важно понять, как вообще производится бетон. Современный бетон начинается с цемента, который представляет собой мелкий порошок, превращающийся в пасту при смешивании с водой. Ключевым ингредиентом цемента является осадочная горная порода известняк, состоящая в основном из карбоната кальция — соединения, которое также встречается в биологической природе, в том числе в яйцах и морских раковинах.

Известняк смешивают с другими материалами, например с глиной, а затем нагревают в печи при температуре 1482°С, чтобы получить материал, называемый клинкером. Измельчение клинкера, а также некоторых добавок в мелкий порошок позволяет получить цемент.

Наиболее часто используемый сегодня цемент называется портландцементом. По словам Сомайе Нассири (Somayeh Nassiri), доцента кафедры гражданского и экологического строительства Калифорнийского университета в Дэвисе, в зависимости от условий эксплуатации срок службы сооружений, построенных из портландцемента, составляет от 75 до 100 лет. Бетон явно изменился с тех пор, как его стали использовать во времена Римской империи, но на самом деле он менялся с момента своего изобретения.

Использование материалов, похожих на бетон, началось ещё в 6500 году до н. э. Сирийцы каменного века случайно создали неорганическое строительное соединение, известное как известь, в своих костровых ямах, которые, вероятно, нагревали окружающие камни, осуществляя примитивную версию процесса, известного сегодня как «кальцинирование». Между тем, майя в Мезоамерике около 1100 года до н.э. разработали предшественников бетона, используя негашёную известь, которая получается из известняка, нагретого до высоких температур, в результате чего выделяется углекислый газ, а карбонат кальция превращается в оксид кальция, говорит Нассири.

Но римский бетон был уникальной смесью, и он творил чудеса. «Бетон построил империю», — сказал Кевин Дикус, доцент кафедры классики в Орегонском университете. По словам Дикуса, римляне использовали свой бетон ещё в третьем веке до нашей эры.

Римский бетон

Секреты римского бетона кроются как в его ингредиентах, так и в методах их смешивания. По словам Дикуса, одним из «преобразующих факторов» был пуццолан, или зола. Римляне использовали пепел из вулканических пластов итальянского города Поццуоли и поставляли его по всей империи. Сегодня в пуццолан входят пемза и летучая зола, побочный продукт сжигания угля. Кремнезём и глинозём, содержащиеся в золе, вступают в пуццолановую реакцию с известью и водой при температуре окружающей среды, в результате чего получается более прочный и долговечный бетон. Пуццолан также используется для производства гидравлического цемента, который может затвердевать под водой.

По словам Дикуса, ещё один ключевой ингредиент — известковые глыбы, или небольшие кусочки негашёной извести. Эти глины придают римскому бетону способность к самовосстановлению. Бетон со временем выветривается и ослабевает, но вода может проникать в трещины и добираться до глины. Вступая в реакцию с водой, они образуют кристаллы, называемые кальцитами, которые заполняют трещины. Таким образом, римский бетон может самовосстанавливаться. Например, в 2000-летней гробнице Цецилии Метеллы под Римом видны трещины, заполненные кальцитами, что говорит о том, что в какой-то момент после её строительства вода активировала кластолиты.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института проиллюстрировала влияние кластолитов в исследовании, опубликованном в 2023 году в журнале Science Advances. Они проанализировали римский бетон с помощью сканирующих электронных микроскопов и рентгеновских лучей, чтобы увидеть, что делает его прочным, и понять, как он был сделан, в то время как римляне, похоже, интуитивно дошли до этого чуда инженерной мысли. «Была ли это просто счастливая случайность, или они действительно знали, что делали?» размышлял Дикус.

Римляне также использовали метод, известный как горячее смешивание, при котором негашёная известь соединяется с пуццоланом, водой и другими ингредиентами, а затем нагревается. Команда Массачусетского технологического института обнаружила, что этот метод помогает раскрыть самовосстанавливающиеся способности известковых глыб и обеспечивает более быстрое схватывание, чем цемент, изготовленный с использованием водного раствора негашёной извести, который, по словам Дикуса, является нормой сегодня.

Исследователи продолжают копаться в римском бетоне. «Мы всё ещё открываем новые для нас методы, которые они использовали при смешивании и подготовке материалов», — говорит Нассири.

В современном процессе смешивания портландцемент не позволяет образовываться известковым частицам, объясняет Дикус. Клинкер, полученный в печи, измельчается в мелкий порошок, уничтожая все потенциальные кластолиты. У римлян же, судя по всему, при горячем смешивании негашёной извести, золы и воды, кластолиты оставались «в виде небольших вкраплений в цементе», — сказал он.

Понимали ли римляне всю гениальность своего рецепта цемента, или нет — но его долговечность говорит сама за себя. Даже сегодня мы испытываем особое ощущение, прикасаясь к римской стене. «Ей 2000 лет, а она такая же твёрдая, как и в тот день, когда её залили», — говорит Дикус.