Ученые объяснили загадку прослужившего тысячи лет римского бетона

Древние римляне были мастерами строительства и инженерного дела, один из самых известных примеров их мастерства —акведуки, мостовые сооружения с каналами для подачи воды. Как рассказал портал ScienceAlert, подобные инженерные чудеса были основаны на уникальном пуццолановом бетоне, чрезвычайно прочном строительном материале, у которого обнаружились способности к самовосстановлению.

Одно из сооружений древних римлян — почти 2000-летний, но отлично сохранившийся Пантеон — до сих пор остается мировым рекордсменом по величине купола из неармированного бетона.

Свойства римского бетона связаны с его составом, в который входят пуццолан, смесь вулканического пепла и туфа, и известь. При смешивании с водой эти два материала вступают в реакцию с образованием прочного бетона. Назван пуццолан был в честь итальянского города Поццуоли, где находятся его значительные залежи.

В 2023 году международная группа исследователей под руководством Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила, что дело не только в материалах древних римлян, но и в методах, используемых для смешивания бетона.

«Неопровержимой уликой» для ученых стало присутствие маленьких белых кусков извести в бетоне, который в остальном казался хорошо перемешанным. Наличие этих кусков раньше объясняли отсутствием контроля качества у древних римлян, но ученый-материаловед Адмир Масич в это не верил.

«Если римляне приложили так много усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя рецептам, которые оптимизировались в течение столетий, почему они не позаботились о тщательном перемешивании?» — объяснил ученый.

Масич, инженер строитель Линда Сеймур и их команда изучили образцы римского бетона возрастом в две тысячи лет из археологических раскопок в итальянской коммуне Приверно. Образцы исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции и рамановской визуализации.

До этого исследования считалось, что в состав пуццоланового бетона входит гашеная известь. Ученые из MIT пришли к другому выводу: скорее всего, римский бетон был изготовлен путем смешивания негашеной извести с пуццоланом и водой при чрезвычайно высоких температурах, отдельно или в дополнение к гашеной извести. Исследователи назвали этот процесс «горячим смешиванием» и подчеркнули, что именно в результате него образуются известковые обломки в бетоне.

Известковые частицы наделяют римский бетон способностью к «самовосстановлению». Когда в бетоне образуются трещины, они преимущественно перемещаются к известковым частицам, имеющим большую площадь поверхности по сравнению с остальными. Когда вода попадает в трещину, она вступает в реакцию с известью, образуя богатый кальцием раствор, который высыхает и затвердевает в виде карбоната кальция, склеивая трещину и предотвращая ее дальнейшее распространение.