Даже самые прочные современные материалы со временем трескаются, слабеют и разрушаются. Однако древнеримский бетон ведет себя иначе: некоторые построенные из него сооружения сохраняются уже тысячи лет, а сам материал может становиться прочнее по мере старения.
Долгое время ученые связывали эту необычную долговечность прежде всего с вулканическим пеплом — пуццоланом. При смешивании с негашеной известью он вступает в реакцию, в результате которой внутри бетона образуются особенно прочные минералы.
Теперь исследователи выяснили, что у римского бетона был еще один механизм укрепления. Важную роль играли медленные реакции с углекислым газом из воздуха.
«Пуццолановая реакция имеет фундаментальное значение, однако наши результаты показывают, что длительная карбонизация также повышает долговечность бетона и помогает ему заделывать трещины по мере старения», — объяснил инженер Калифорнийского университета в Беркли Паулу Монтейру.
Чтобы подробнее изучить материал, ученые взяли образец не из знаменитого Пантеона, а из гораздо менее торжественного сооружения. Небольшой фрагмент бетона извлекли из общественного туалета на вилле императора Адриана в итальянском Тиволи, построенной во II веке.
Исследователи изучили образец с помощью высокоточных методов визуализации вплоть до наномасштаба. Как и ожидалось, они обнаружили следы реакции между вулканическим пеплом и известью, которая сформировала внутри бетона долговечные минералы.
Но анализ показал и другой процесс. На протяжении веков углекислый газ из атмосферы взаимодействовал с остатками извести, образуя кальцит — минерал, который также содержится в известняке.
Оказалось, что кальцит был не просто побочным продуктом старения. Его кристаллы заполняли мельчайшие поры и трещины, делая бетон плотнее и постепенно закрывая слабые места, которые иначе могли бы увеличиваться.
Кальцит в римском бетоне находили и раньше, однако прежние исследования не изучали его трехмерную структуру и расположение внутри материала. Новая работа показала, что он мог играть недооцененную роль в долговечности римских сооружений, дополняя действие пуццолановой реакции.
Карбонизация естественным образом происходит в бетонах на основе извести. Понимание этого процесса может помочь ученым при создании новых материалов, которые будут служить дольше и потребуют меньшего количества углерода при производстве.
При этом просто вернуться к римским технологиям невозможно. Современные здания создают гораздо более высокую нагрузку на материалы, а железобетон сталкивается с проблемой, которой не было у римских инженеров, — коррозией стальной арматуры внутри конструкции.
Тем не менее открытие может помочь в разработке более долговечного и экологичного бетона.
«Изучение древних инженерных методов может привести к важным открытиям. Мы надеемся, что раскрытие римских секретов повышения долговечности бетона однажды поможет создавать устойчивую современную инфраструктуру», — отметил Монтейру.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
