Почему древнеримские постройки не разрушаются? Всё дело в особом составе бетона

Пантеон, акведуки и другие постройки времён Римской империи до сих пор радуют глаз. Почему время не властно над этими архитектурными сооружениями? Учёные долго изучали этот вопрос и, похоже, наконец раскрыли тайну невероятной прочности древнеримского бетона.

Древние римляне были мастерами инженерного дела: они строили обширные сети дорог, акведуков и портов; возводили массивные здания, остатки которых сохраняются на протяжении тысячелетий. Многие из этих сооружений были построены из бетона. Например, знаменитый римский Пантеон с самым большим в мире куполом из неармированного бетона был завершён в 128 году нашей эры и до сих пор остаётся целым. Некоторые древнеримские акведуки и поныне доставляют воду в Рим, тогда как современные бетонные конструкции порой рассыпаются уже через несколько десятилетий.

Римляне делали бетон, смешивая грубые фракции типа вулканического туфа со связующим раствором из воды, извести и вулканического пепла из окрестностей Помпей. Долгое время считалось, что секрет прочности римского бетона именно в этом пепле. Химические реакции с водой при отвердении приводили к образованию прочных агрегатов — гидратов алюмосиликата кальция. Остатки извести реагировали с углекислым газом в воздухе, превращаясь в твёрдый карбонат кальция — как происходит со штукатуркой. Реакции в бетоне продолжались долго, и эта продолжительность, возможно, как раз и обеспечивает стойкость материала.

Помимо пепла, другой характерной чертой римского бетона являются крупные, до миллиметра, вкрапления белых блестящих минералов, образовавшихся из сгустков извести и состоящих из разных форм карбоната кальция. Именно на них обратила внимание команда учёных из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и лабораторий в Италии и Швейцарии.

Исследователям удалось восстановить древнеримскую технологию смешивания бетона, в которой использовалась негашёная, более реактивная форма извести. Реагируя, она выделяла тепло, отчего процесс назвали «горячим смешиванием»: температура в отдельных точках могла достигать 200 градусов. Нагрев ускорял образование алюмосиликатов из пепла. Кроме того, известь была недожжённой или грубого помола — отсюда и образование карбонатных вкраплений.

Но главная находка исследования заключается в том, что эти минеральные агрегаты делают римский бетон химически самовосстанавливающимся. Они служат источником кальция, который, реагируя с водой или остатками пепла, запечатывает поры и трещины новыми карбонатами или алюмосиликатами.

Чтобы подтвердить это, учёные изготовили два образца бетона: один по древнеримской рецептуре, другой — по современной. После этого раскололи их, а трещины заполнили водой. Спустя две недели трещины на первом образце бетона затянулись до 0,5 миллиметра и уже не пропускали воду. Чего нельзя было сказать про образцы, изготовленные по современной методике.

Теперь команда учёных работает над коммерциализацией этого модифицированного скрепляющего материала. Они надеются, что полученный состав бетона поможет не только увеличить срок службы новых зданий и конструкций, но и снизить углеродный след от цемента, на долю которого сегодня приходится около 8% общего объёма глобальных выбросов парниковых газов.