Ученые раскрыли секрет римского бетона, способного выстоять тысячи лет

Секрет прочности бетона, используемого римлянами, раскрыли ученые на примере гробницы Цецилии Метеллы, построенной между 30 и 10 годами до н. э., когда римская архитектура достигла значительных успехов в бетонном строительстве. Результаты исследования были опубликованы 7 октября в журнале Journal of the American Ceramic Society.

Гробница Цецилии Метеллы была построена за пределами древних стен Рима на Аппиевой дороге. Круглая бетонная гробница облицована блоками травертина и построена на квадратном фундаменте из бетона с вулканическим камнем.

Внутри находится коническая погребальная камера с отверстием в потолке. Погребальный коридор сделан из облицованного кирпичом бетона, что является одним из первых примеров в Риме, построенных по самым высоким стандартам того времени.

Гробница расположена на северной оконечности лавового потока Капо-ди-Бове. Ее нижняя камера была вырыта в тефре, отложившейся сотни и тысячи лет назад во время извержения вулкана Альбан-Хиллз. Менее чем в километре к северо-западу от гробницы лава от вулкана образовала еще один поток Пуццолан Росс.

Строители Гробницы Цецилии Метеллы получали свой заполнитель с обоих потоков, используя лаву Капо-ди-Бове для бетона внешней конструкции, кирпичного раствора и внутреннего бетона. В погребальном коридоре использовалась тефра из потока Пуццолана Росса.

Римская бетонная конструкция, такая как эта гробница, опоры мостов и волнорезы, показала уникальную способность противостоять тысячам лет воздействия воды, даже погружению в воду, в то время как современный бетон сравнительно быстро трескается и крошится под давлением воды. Ожидаемый срок службы современного морского бетона составляет всего 50 лет.

В новом исследовании ученые изучили образцы раствора, взятые из погребального коридора гробницы Цецилии Метеллы, чтобы узнать больше о минеральной структуре бетона в надежде пролить свет на его необычайную долговечность.

Они выяснили, что тефра, которую римляне использовали для бетонного раствора, содержала лейцит богатый калием. За столетия дождевая вода и грунтовые воды, просачивающиеся сквозь стены гробницы, растворили лейцит и высвободили калий в раствор. В современном бетоне такой поток калия приведет к образованию экспансивных гелей, которые вызовут микротрещины и, в конечном итоге, растрескивание и ухудшение структуры.

Однако в гробнице калий растворился и перенастроил фазу связывания. Ученые использовали методы рентгеновской микродифракции и рамановской спектроскопии, которые позволили им исследовать, как изменился раствор.

Рентгеновская микродифракция, в частности, позволила проанализировать тонкие домены вплоть до их атомной структуры. «Мы видим, что тонкие домены приобретают нанокристаллическую природу», — сказала Линда М. Сеймур из Массачусетского технологического института.

Реконструированные домены, очевидно, создают надежные компоненты сцепления в бетоне, считают ученые. По их мнению, взаимодействие между заполнителями и раствором любого бетона имеет основополагающее значение для долговечности конструкции.

В современном же бетоне реакции щелочи и кремнезема, которые образуют расширяющиеся гели, могут нарушить границы раздела даже самого закаленного бетона.

«Оказывается, что межфазные зоны в древнеримском бетоне гробницы Цецилии Метеллы постоянно развиваются в результате долгосрочной реконструкции, — сказал доцент Адмир Масич. — Эти процессы ремоделирования укрепляют межфазные зоны и потенциально способствуют улучшению механических характеристик и устойчивости к разрушению древнего материала».