Римская гробница подсказала, почему древний бетон до сих пор остается живучее современного

Хорошо сохранившиеся древние здания всегда привлекают особое внимание историков и археологов: вполне естественно, что под защитой стен и крыш предметы разрушаются слабее, чем на открытой местности. Но в этот раз древнеримской постройкой заинтересовались физики, химики и инженеры. Группа ученых из Массачусетского технологического института (США) провела исследование бетона, которым были скреплены камни гробницы знатной римлянки. Соответствующая работа опубликована в Journal of the American Ceramic Society.

Гробница Цецилии Метеллы — известный памятник древнеримской архитектуры, часто встречающийся и на полотнах европейских художников. Это круглая башня, построенная на квадратном основании. Стены сложены из крупных камней вулканического происхождения, которые строители соединили бетоном. Затем сооружение облицевали блоками из травертина, выглядящими как крупные кирпичи. Квадратное основание у гробницы бетонное. При строительстве использовали материалы застывшего лавового потока, образовавшегося некогда при извержении вулканов в районе Альбанских гор. Высота строения — 21 метр, диаметр — 29 метров.

Гробницу построили рядом с Аппиевой дорогой в 30-10 годах до нашей эры. Предположительно, это сделали по заказу сына Цецилии Метеллы — весьма знатной особы, жены сына Марка Красса, образовавшего вместе с Цезарем и Помпеем первый триумвират в 59 году до нашей эры.

Возведение гробницы Цецилии Метеллы стало началом эры новых строительных технологий Древнего Рима. Их в самом общем виде описал Марк Витрувий Поллион в знаменитом трактате «Десять книг об архитектуре». По его словам, строительство толстых стен из кирпича или вулканического камня, скрепленных раствором из извести и вулканической тефры (пористых осколков стекла и кристаллов, образовавшихся при взрывных извержениях), позволило создать сооружения, которые «в течение долгого времени не рассыпались бы в прах».

Слова Витрувия подтверждает прекрасное современное состояние многих римских построек, созданных по тому же принципу: например, Рынок Траяна (построен в 100-110 годах нашей эры, более чем через столетие после гробницы). Примерно так же сделаны многие пирсы и волнорезы. И, конечно, гробница. Несмотря на то что стенам уже более двух тысяч лет, бетон остается очень прочным. В чем секрет?

Ученые выяснили, что в тефре, которую использовали при строительстве гробницы, было довольно много лейцита — минерала магматического происхождения, богатого калием. Веками просачивающиеся сквозь стены гробницы дождевые и грунтовые воды растворяли лейцит и выделяли калий в раствор. В современном бетоне обилие калия привело бы к образованию расширяющихся гелей, которые вызвали бы микротрещины и разрушение конструкции. Почему это не случилось с гробницей?

Изучив раствор с помощью рентгеновской дифракции и рамановской спектроскопии, исследователи обнаружили, что бетон менялся неравномерно. Растворенный калий менял структуру соединений в разных местах по-разному. Рентгеновская дифракция позволила проанализировать измененные участки вплоть до их молекулярной структуры — и стало ясно, что они приобрели нанокристаллическую природу, уменьшив средний размер «зерна» в бетоне. Ученые считают, что эти измененные участки усиливают сцепление частичек, из которых состоит такой бетон, между собой.

Критически важным для прочности постройки стал участок, где бетон прилегает к тому, что он соединяет между собой (камни, кирпичи). В современном бетоне химические реакции между щелочными компонентами и кремнеземом (в составе песка) создают гели, которые расширяются и тем самым разрушают конструкцию. А в древнеримском бетоне реакции приводят к появлению нанокристаллических структур (без изменения объема, но с изменением структуры), которые даже повышают прочность. При этом процесс изменения — длительный, он идет постоянно, то есть конструкция все время слегка упрочняется, что позволяет ей противостоять внешним силам разрушения. Выходит, она как бы все время «саморемонтируется», чего современные бетоны не могут.

Ученые полагают, что необычной долговечности стен гробницы Цецилии Метеллы удалось добиться благодаря сочетанию двух факторов: выбора римскими строителями богатой лейцитом тефры в качестве заполнителя и строительства гробницы в месте с высоким уровнем осадков и грунтовых вод. Последнее привело к постоянной перестройке и «саморемонту» строительного материала.

По мнению авторов работы, их открытие можно применить для создания современных бетонов, имеющих те же качества, что древнеримский. Особенно полезным это может стать в гидротехнических сооружениях, например плотинах.