Они были искусными инженерами и строителями. Самыми наглядными примерами этого являются и по сей день функционирующие акведуки.
– В основе этих архитектурных чудес лежит уникальный строительный материал: пуццолановый бетон, – поясняет Старр. – Этот материал – невероятно прочный. Одно из их сооружений – Пантеон, которому почти 2000 лет, и по сей день является мировым рекордсменом по величине купола из неармированного бетона.
Своими свойствами «древнегреческий» бетон обязан его ингредиентам: пуццолане, смеси вулканического пепла, названной в честь итальянского города Поццуоли, где можно найти его значительные запасы, и извести. При смешивании с водой два материала могут вступать в реакцию, образуя прочный бетон.
Но это – далеко не все.
Международная группа исследователей во главе с Массачусетским технологическим институтом (MIT) обнаружила, что материалы, которые использовали древние греки для создания бетона, весьма неожиданны.
– В составе заметны сегменты маленьких белых кусочков извести, – рассказал материаловед Адмира Масич из Массачусетского технологического института это не имело смысла. – Наличие этих кусков ранее списывали на плохое смешивание или низкое качество материалов. – Мысль о том, что наличие этих известковых обломков было просто связано с низким контролем качества, всегда беспокоила меня. Если римляне приложили столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя всем подробным рецептурам, которые оптимизировались на протяжении многих веков, почему они приложили так мало усилий для обеспечения производства хорошо перемешанного конечного продукта? В этой истории должно быть что-то еще!
Масич вместе с командой под руководством инженера-строителя Массачусетского технологического института Линдой Сеймур, тщательно изучили 2000-летние образцы римского бетона с места археологических раскопок Привернум в Италии.
– Данные образцы мы подвергли сканирующей электронной микроскопии большой площади и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции и конфокальной рамановской визуализации, чтобы лучше понять известковые обломки, – пояснила Масич. – Одним из главных вопросов на повестке была природа используемой извести. Стандартное понимание пуццоланового бетона заключается в том, что в нем используется гашеная известь. Сначала известняк нагревают при высоких температурах для получения высокореактивного едкого порошка – негашеной известью, или оксидом кальция.
При смешивании негашеной извести с водой получается гашеная известь, или гидроксид кальция: немного менее реакционноспособная, менее едкая паста. Согласно теории, именно эту гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланой.
Ученые пришли к выводу, что известковые обломки в образцах не соответствуют данному методу. Скорее всего, римский бетон изготавливался путем смешивания негашеной извести непосредственно с пуццоланой и водой при чрезвычайно высоких температурах, отдельно или в дополнение к гашеной извести, процесс, который команда называет «горячим смешиванием», из-за чего и образуются известковые обломки.
– Преимущества горячего смешивания крайне двояки, – сообщила Масич. – Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет проводить химические процессы, которые были бы невозможны, если бы вы использовали только гашеную известь, производя при высокой температуре соединения, которые в противном случае не образовались бы. Во-вторых, эта повышенная температура значительно сокращает время отверждения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство.
И у него есть еще одно преимущество: известковые обломки придают бетону замечательные способности к самовосстановлению.
Когда в бетоне образуются трещины, они преимущественно распространяются на известковые обломки, площадь поверхности которых выше, чем у других частиц матрицы. Когда вода попадает в трещину, она вступает в реакцию с известью, образуя раствор, богатый кальцием, который высыхает и затвердевает в виде карбоната кальция, склеивая трещину обратно и предотвращая ее дальнейшее распространение.
Подобное было и в составе двухтысячелетнего бетона, из которого сделана гробница Цецилии Метеллы. Там трещины в бетоне были заполнены кальцитом.
– Также это может объяснить, почему именно римский бетон из дамб, построенных 2000 лет назад, сохранился нетронутым на протяжении тысячелетий, несмотря на постоянные удары океана, – пояснили эксперты.
Они проверили свои выводы, изготовив пуццолановый бетон по древним и современным рецептам с использованием негашеной извести и изготовили контрольный бетон без негашеной извести и провели тесты на трещиноватость. Конечно же, потрескавшийся негашеный бетон полностью затвердел в течение двух недель, но контрольный бетон остался потрескавшимся.
В настоящее время команда работает над коммерциализацией своего бетона в качестве более экологичной альтернативы современным бетонам.
– Интересно подумать о том, как эти более прочные бетонные составы могли бы увеличить не только срок службы этих материалов, но и как это могло бы повысить долговечность бетонных составов, напечатанных на 3D-принтере, – пояснил Масич.
