Римский бетон в древней гробнице открывает секреты своей прочности

Среди множества своих талантов древние римляне были пионерами в искусстве изготовления бетона и строительства. Качество римского бетона, использованного для строительства акведуков, гробниц, бань, причалов, амфитеатров и домов, было настолько высоким, что многие из этих сооружений стоят и по сей день, не поддаваясь ожидаемым разрушениям времени.

Ученые, стремящиеся разгадать секреты римских мастеров бетона, совершили прорыв в результате анализа большой цилиндрической гробницы, построенной для хранения останков знатной женщины I века до н.э. по имени Цецилия Метелла.

При финансовой поддержке Министерства энергетики США геофизик Университета Юты Мари Джексон объединилась с Линдой Сеймур и Адмиром Масичем из Массачусетского технологического института и Нобумичи Тамурой из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли для проведения углубленного исследования материалов и методов, использованных при строительстве гробницы Цецилии Метеллы. Им было интересно узнать больше о породе, использовавшейся для изготовления римского бетона, и особенно о растворе, который использовался для скрепления бетонных блоков вместе.

То, что они обнаружили, может оказаться весьма актуальным для современной строительной индустрии, поскольку специалисты по строительству ищут способы возведения сооружений, способных прослужить так же долго, как те, что были возведены римлянами более 2000 лет назад.

Удивительная римская бетонная гробница Цецилии Метеллы

Гробница Цецилии Метеллы находится на Виа Аппиа Антика, или Аппиевом пути, древней дороге военных поставок, которая соединяла Рим с Бриндизи на юго-востоке Италии. Строительство этой дороги началось в 312 году до н.э., и она оставалась важнейшей магистралью на протяжении многих веков.

Гробница Цецилии Метеллы огромна по любым меркам. Высота круглого мавзолея составляет 70 футов (21 метр), диаметр - 100 футов (29 метров). Он был построен из бетонных блоков, уложенных на квадратное основание. Сверху он украшен мраморным фризом, а на фризе изображены гирлянды и головы быков. У входа в эту впечатляющую гробницу есть надпись с именем Цецилии Метеллы, которая идентифицирует ее как обитательницу этого сооружения.

Гробница была построена в 30 году до нашей эры, во время правления первого римского императора Августа. Цецилия Метелла удостоилась такой чести благодаря своим связям с двумя важными людьми.

Она была дочерью римского консула Квинта Метелла, который сделал выдающуюся карьеру как полководец. Она также была женой Марка Красса, чей знаменитый отец Марк Лициний Красс был членом первого триумвирата Римской республики вместе с Помпеем Великим и Юлием Цезарем. Учитывая размеры и величие гробницы Цецилии, возможно, ее муж финансировал ее строительство (семья Крассов была сказочно богата).

Даже по сравнению с другими сохранившимися римскими гробницами, захоронение Цецилии Метеллы находится в фантастическом состоянии.

"Строительство этого очень инновационного и прочного памятника и достопримечательности на улице Аппия Антика свидетельствует о том, что она пользовалась большим уважением", - сказала руководитель исследования Мари Джексон в пресс-релизе Университета Юты.

Но почему эта сказочная гробница просуществовала так долго и сохранилась в таком хорошем состоянии?

Оказывается, секрет можно найти в растворе, который использовался для ее сборки.

Открытие правды о лучшем из когда-либо созданных строительных растворов

Как объяснили Мари Джексон и другие ученые в статье о своем исследовании, опубликованной в журнале Американского научного общества, они использовали самые мощные и современные научные инструменты для изучения химической и физической микроструктуры римского бетона и раствора, использованного в гробнице Цецилии Метеллы.

Древние римляне не использовали залитый цемент для изготовления бетона. Вместо этого они использовали заполнители из вулканической породы для строительства грубых кирпичных стен. Хотя вулканическая порода со временем разрушается и осыпается, всего за две-три тысячи лет она разрушается не так сильно по сравнению с другими видами строительных материалов.

Ученые обнаружили, что этот вулканический заполнитель был скреплен римским бетонным раствором, изготовленным из гашеной извести и вулканической тефры (мелкие пористые кусочки вулканического стекла и кристаллов, образующиеся во время извержений). Последняя имелась в изобилии в окрестностях Рима в результате древних извержений вулканов в этом регионе.

Древние римляне понимали, что это чрезвычайно прочная и долговечная формула. Римский архитектор Витрувий, писавший в то время, объяснял, что бетонная технология его народа позволяла возводить сооружения, которые "в течение долгого времени не рассыпаются в прах".

Ранее Джексон и ее коллеги взяли образцы раствора из бетонных руин, связанных с рынком Траяна, коммерческим комплексом, расположенным рядом с римским Колизеем, который был построен в начале второго века нашей эры.

Как и раствор, использованный в гробнице Цецилии Метеллы, этот раствор был сделан из вулканической тефры, взятой из близлежащего потока лавы Pozzolane Rosse, который был остатком извержений вулкана Альбанские холмы, расположенного в 12 милях (20 километрах) к юго-востоку от Рима.

В ходе исследования рынка Траяна ученые определили, что клей, использовавшийся в растворе, представлял собой смесь кальция, алюминия и силиката, которая создавала прочный связующий гель. Это был тот же тип геля, который использовался для изготовления раствора в гробнице Цецилии Метеллы, как показали более поздние исследования, но они обнаружили одно заметное отличие. Раствор из гробницы содержал значительное количество минерала лейцита, богатого калием.

Как выяснилось, именно этот дополнительный минерал, лейцит, обеспечил прочность гробницы.

Когда лейцит подвергается воздействию осадков или грунтовых вод, он растворяется и высвобождает весь содержащийся в нем калий. За столетия весь лейцит в стенах гробницы растворился, а это значит, что значительное количество калия попало в остальную растворную смесь. Ученые обнаружили, что этот калий взаимодействовал с соединениями кальция, алюминия и силиката и в процессе заметно изменил их химическую структуру.

Обычно предполагается, что такая реакция повредила раствор и сделала его менее способным связывать вулканический заполнитель в римском бетоне. Но в данном случае произошло как раз обратное. Химическая реконфигурация раствора увеличила его связующую способность, что означает, что многовековое воздействие воды на бетонные блоки гробницы Цецилии Метеллы действительно сделало их более устойчивыми к растрескиванию, разрушению, скольжению или смещению.

По словам Мари Джексон, химически переработанные химические соединения клея "очевидно, создают прочные компоненты сцепления в бетоне".

Римляне не могли знать, что произойдет с их зданиями через тысячи лет. Но они нечаянно наткнулись на формулу строительного раствора, который выдержит испытание временем лучше, чем любое аналогичное вещество, используемое где-либо еще в мире.

Догоняя римлян, 2000 лет спустя

Министерство энергетики США финансировало это исследование с учетом современных проблем. Ученые департамента надеются создать современные версии древнеримского бетона и раствора, которые будут менее энергоемкими в производстве, чем традиционный цемент, и дольше прослужат при установке в морской (подводной) среде.

"Сосредоточение внимания на разработке современных бетонов с постоянно укрепляющимися межфазными зонами может дать нам еще одну стратегию для повышения долговечности современных строительных материалов", - объясняет ученый из MIT Адмир Масич.

"Выполнение этой задачи путем интеграции проверенной временем "римской мудрости" обеспечивает устойчивую стратегию, которая может повысить долговечность наших современных решений на порядки".

Джексон, Масич и другие члены исследовательской группы по изучению гробницы Caecilia Metella будут участвовать в постоянных усилиях по созданию этого нового и лучшего бетона. Если они добьются успеха, их усилия станут еще одним примером того, как инновации Древнего Рима оказались актуальными для современной культуры.