Древние римляне были мастерами строительства и инженерии, что наиболее ярко демонстрируют их знаменитые акведуки. Эти до сих пор функционирующие чудеса инженерной мысли созданы с использованием уникального строительного материала — пуццоланового бетона, невероятно прочного материала, который придавал римским сооружениям их удивительную долговечность.
Даже сегодня одно из их сооружений — Пантеон, сохранившийся почти в идеальном состоянии спустя 2000 лет, — остается крупнейшим в мире куполом из неармированного бетона.
Свойства этого бетона традиционно связывали с его составом: пуццолана, смесь вулканического пепла (названная в честь итальянского города Поццуоли, где находятся его крупные залежи), и известь. При смешивании с водой эти материалы вступают в реакцию, образуя прочный бетон.
Однако, как выяснилось, это не вся история. В 2023 году международная группа исследователей под руководством Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила, что не только состав материала отличается от того, что мы предполагали, но и методы его смешивания были иными.



Ключом к разгадке стали небольшие белые кусочки извести, которые можно найти в, казалось бы, хорошо перемешанном бетоне. Ранее их наличие объясняли плохим смешиванием или некачественными материалами, но это не устраивало специалиста по материалам Адмира Масика из MIT.

«Мысль о том, что наличие этих кусочков извести объясняется просто низким качеством контроля, всегда меня беспокоила, — сказал Масик в январе 2023 года. — Если римляне прилагали столько усилий для создания выдающегося строительного материала, следуя детальным рецептам, оптимизированным на протяжении многих веков, почему они так мало внимания уделяли обеспечению качественного смешивания? Здесь должно быть что-то еще».

Масик и команда под руководством инженера-строителя MIT Линды Сеймур тщательно изучили 2000-летние образцы римского бетона с археологического участка Привернум в Италии.

Эти образцы были исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, рентгеновской дифракции и конфокальной рамановской микроскопии, чтобы лучше понять природу кусочков извести.

Одним из вопросов был тип используемой извести. Согласно общепринятому мнению, пуццолановый бетон изготавливался с использованием гашеной извести. Сначала известняк нагревали до высоких температур, чтобы получить высокореактивный порошок — негашеную известь, или оксид кальция.

Смешивание негашеной извести с водой дает гашеную известь, или гидроксид кальция: менее реактивную и менее едкую пасту. Считалось, что именно эту гашеную известь древние римляне смешивали с пуццоланой.

Однако анализ команды показал, что кусочки извести в образцах не соответствуют этому методу. Вероятно, римский бетон изготавливался путем прямого смешивания негашеной извести с пуццоланой и водой при очень высоких температурах, либо в сочетании с гашеной известью. Этот процесс команда назвала «горячим смешиванием», которое и приводит к образованию кусочков извести.

«Преимущества горячего смешивания двояки, — объяснил Масик. — Во-первых, при нагревании бетона до высоких температур происходят химические реакции, невозможные при использовании только гашеной извести, что приводит к образованию высокотемпературных соединений, которые иначе не возникли бы. Во-вторых, повышенная температура значительно сокращает время затвердевания и схватывания, так как все реакции ускоряются, что позволяет строить гораздо быстрее».

И есть еще одно преимущество: кусочки известь придают бетону удивительную способность к самовосстановлению.

Когда в бетоне образуются трещины, они стремятся к кусочкам извести, которые имеют большую площадь поверхности, чем другие частицы в матрице. Когда вода попадает в трещину, она реагирует с известью, образуя раствор, богатый кальцием, который высыхает и затвердевает в виде карбоната кальция, «заклеивая» трещину и предотвращая ее дальнейшее распространение.

Это наблюдалось в бетоне из другого 2000-летнего сооружения — гробницы Цецилии Метеллы, где трещины в бетоне были заполнены кальцитом. Это также может объяснить, почему римский бетон из морских стен, построенных 2000 лет назад, сохранился до наших дней, несмотря на постоянное воздействие океана.

Команда проверила свои выводы, изготовив пуццолановый бетон по древним и современным рецептам с использованием негашеной извести. Они также создали контрольный образец бетона без негашеной извести и провели тесты на трещины. Как и ожидалось, трещины в бетоне с негашеной известью полностью зажили в течение двух недель, а контрольный образец остался поврежденным.

Теперь команда работает над коммерциализацией своего бетона как более экологичной альтернативы современным материалам.

«Очень интересно думать о том, как эти более долговечные составы бетона могут не только увеличить срок службы материалов, но и улучшить прочность бетонных смесей для 3D-печати», — сказал Масик.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.

https://earth-chronicles.ru/news/2025-05-07-185476