Ученые стремятся понять секрет исключительной долговечности древних построек, надеясь найти способы создания более устойчивых строительных материалов. В Италии сегодня можно увидеть здания, дороги и акведуки, построенные из бетона, которые существуют около двух тысяч лет. Часто итальянцы находят руины, сохраняющиеся среди современных сооружений, например, римская вилла, обнаруженная учениками в общественной школе Рима.
Сравнение римского и современного бетона
Возникает вопрос, чем бетон Римской империи отличается от современного, который служит менее века? Почему многие мосты и здания, возведенные всего несколько десятилетий назад, уже имеют трещины и структурные повреждения?
Первоначальные гипотезы о долговечности
Долгое время ученые пытались раскрыть тайны стойкости римского бетона. Изначально основной теорией был химический процесс — позоланная реакция. Эта реакция происходит между мелкодисперсными кремнеземсодержащими материалами (известными как пуццоланы), гидратированной известью и водой, образуя раствор.
Роль морской воды и вулканического пепла
В римских постройках пуццоланы представляли собой вулканический пепел, а раствор смешивался с щебнем, камнями и соленой водой. Морская вода способствовала образованию еще более уникального минерала — тоберморита. Именно это было ключевым моментом: при контакте с морским воздухом тоберморит восстанавливался самостоятельно, заполняя трещины и поры.
Новое исследование и латрина Адриана
Однако новое исследование предполагает, что за долговечностью бетона может стоять нечто большее. Работа, опубликованная в научном журнале Science Advances, стала результатом поездки в Виллу Адриана, расположенную в 17 километрах от Рима. Стоит отметить, что римские виллы не были небольшими сельскими поселениями; название относится к пышным усадьбам, которые могли служить центром небольших сельскохозяйственных групп.
На Вилле Адриана находится общественная латрина возрастом 1900 лет в ее первоначальном состоянии. Пауло Монтейро, соавтор исследования и инженер-строитель из Калифорнийского университета в Беркли, заявил в интервью Scientific American: «Никто не реставрирует латрину. Следовательно, материал оставался нетронутым в течение 19 веков, тихо проводя эксперимент, который не смог бы начать ни один живой человек».
Открытие кальцита как связующего агента
Исследователи взяли образец бетона из-под сантехнического сиденья. Фрагмент был изучен различными методами: под мощным микроскопом, с помощью рентгеновской томографии и химического анализа состава. Как и ожидалось, образец содержал признаки того, что смесь позоланной реакции — вулканический пепел, известь и вода — объединилась, сформировав материал. Тем не менее, более детальный осмотр пор и трещин показал, что кальцит, минерал, состоящий из кальция, углерода и кислорода, являлся основным связующим агентом.
Кальцит образуется в результате реакции кальциевых соединений бетона с атмосферным диоксидом углерода. Этот минерал заполняет мелкие трещины и поры в бетоне, позволяя старым конструкциям укрепляться и восстанавливаться со временем.
Вклад карбонизации в прочность
Монтейро отметил в своем заявлении: «Хотя позоланная реакция имеет фундаментальное значение, наши открытия предполагают, что карбонизация в течение длительного периода также повышает долговечность бетона и может помогать герметизировать трещины по мере старения». Он также подчеркнул, что тоберморит формируется только при контакте с морской водой, поэтому эти два объяснения не противоречат друг другу, а описывают разные типы римского бетона. Тоберморит встречается в структурах, контактирующих с морем, таких как порты и волнорезы, тогда как кальцит, главный герой нового исследования, является основным связующим агентом в наземных постройках, вроде проанализированной латрины, находящейся вдали от побережья. Таким образом, римляне использовали различные рецептуры в зависимости от назначения конструкции.
Экологические перспективы и предупреждения
Ученые надеются, что понимание состава римского бетона поможет современным специалистам создавать бетон с меньшим воздействием на окружающую среду. Сегодня бетон является одним из наиболее потребляемых материалов в мире, и его производство составляет около 8% мировых выбросов углекислого газа. ООН прогнозирует, что половина зданий, существующих в 2050 году, еще не построена, что делает срочным развитие менее агрессивных методов для экологии.
Авторы исследования также предостерегают, что этот процесс карбонизации чрезвычайно медленный — он занимает столетия, и нельзя предполагать, что его воспроизведение принесет значительную климатическую выгоду в срок службы современного здания. Надежда заключается скорее в понимании механизмов долговечности, нежели в прямом копировании скорости римского процесса. Монтейро заключил в своем заявлении: «Это исследование демонстрирует, как изучение древних инженерных техник может привести к важным открытиям. Мы надеемся, что, раскрывая римские секреты повышения долговечности бетона, мы однажды достигнем устойчивого развития современных инфраструктур».