МОСКВА, 6 янв , Захар Андреев. Одно из главных достижений древнеримской цивилизации — прочный и долговечный бетон. Как материал приобретал такие свойства, до последнего времени было не ясно, однако новое исследование предлагает убедительный ответ на этот вопрос. Можно ли применить архаичную технологию при строительстве современных зданий — в материале.
Многие древнеримские сооружения из бетона, возведенные две тысячи лет назад, дошли до нас в отличной сохранности. Пантеон, Колизей, Римский форум, величественные акведуки, термы и гробницы — долговечность этих построек особенно впечатляет на фоне современных зданий, которые разрушаются за считаные десятилетия.
Секрет римского бетона долго оставался загадкой. Ученые знали, что римляне использовали вулканический пепел (пуццолан) и известь, но точный рецепт и механизм работы были утеряны.
Раскрыть тайну помогла находка в Помпеях. В 2024 году там обнаружили полностью сохранившийся строительный участок. На площадке были аккуратно разложены материалы, в том числе ингредиенты, используемые для замешивания бетона. Команда из Массачусетского технологического института тщательно изучила состав и определила ключевой элемент, который обеспечил долговечность античным постройкам. Ученым удалось не просто выдвинуть теорию, а воссоздать римский рецепт в лаборатории. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.
Главную подсказку дали ярко-белые вкрапления, встречающиеся в древних образцах, — так называемые известковые обломки. Ранее их считали признаком некачественного перемешивания. Однако исследования с помощью электронных микроскопов и химического картирования показали, что это не случайные комки, а целенаправленно созданные «островки» негашеной извести (оксида кальция). После анализа стало ясно, что римляне применяли метод горячего смешивания — известь вводилась в раствор напрямую, а не гасилась заранее.
Негашеная известь вступала в реакцию с водой, выделяя тепло. Это создавало особую химическую среду: вокруг частиц извести образовывалась защитная кайма, которая сохраняла их пористое, богатое кальцием ядро внутри бетонной матрицы на века. Эти обломки стали стратегическим резервом. Когда в бетоне со временем появлялись микротрещины, туда проникала вода, медленно растворяя кальций из этих вкраплений.
Растворенный кальций, мигрируя по трещинам, вступал в повторную реакцию с пуццолановыми материалами или углекислым газом из воздуха. Это приводило к образованию новых минералов (например, карбоната кальция или гидратов силикатов), которые надежно «запечатывали» повреждения. Таким образом римский бетон получил уникальную способность к автогенному самовосстановлению. Источником «целительного» кальция на протяжении столетий служили те самые специально сохраненные известковые обломки.
Вдохновившись этим открытием, современные инженеры создали бетонную смесь по римскому принципу, добавив гранулы негашеной извести. Лабораторные испытания подтвердили, что такой материал способен самостоятельно заделывать трещины шириной до 0,5 миллиметра.
«Это похоже на иммунную систему организма, которая сама залечивает раны. Длительное сохранение прочности римского бетона — следствие его способности к самовосстановлению, а не только исходных свойств материала», — говорит в беседе с Алексей Адамцевич, кандидат технических наук, директор Научно-исследовательского института строительных материалов и технологий НИУ МГСУ.
Однако слепо копировать древнеримские технологии в современном строительстве не получится — у античного метода есть свои ограничения, отмечают эксперты.
«Если говорить о плюсах, то римляне получили материал, который не просто твердел, а сохранял «запас прочности» на будущее. Он был устойчив к влаге, температурным перепадам и механическим воздействиям. Но у технологии есть и обратная сторона: горячее смешивание сложнее контролировать, оно требует аккуратного соблюдения пропорций и понимания химических реакций», — поясняет Алексей Лукьянчиков, основатель инжиниринговой компании «Элемент», члена-учредителя ассоциации НОТЕХ.
По мнению эксперта, в современных условиях такая схема потребовала бы строгих стандартов и контроля качества, иначе результат мог бы оказаться непредсказуемым.
«Римский бетон набирал полную прочность очень медленно — годами. Кроме того, он хорошо работал на сжатие (в стенах, арках и сводах), но плохо сопротивлялся изгибу и растяжению. Эта проблема актуальна и для современных бетонов, но сегодня она эффективно решается армированием», — добавляет Адамцевич.
По его словам, даже если бы у римлян была стальная арматура, эффективно использовать ее вряд ли бы получилось. Высокая щелочность «горячей извести» в сочетании с медленным набором прочности создавала бы нестабильные условия, в которых арматура быстро бы корродировала, не успев сформировать надежную связь с бетоном.
«Поэтому адаптировать такую технологию для строительства небоскребов или длинных мостов было бы затруднительно. Дополнительные препятствия — жесткая привязка к месторождениям вулканического пепла и необходимость высокого мастерства строителей для работы с данным материалом», — заключает ученый.
Тем не менее кое-чему нынешние строители все еще могут поучиться у античных предшественников.
«Производство современного портландцемента — один из крупнейших источников выбросов углекислого газа. Римский рецепт, основанный на извести и природных добавках, показывает путь к созданию бетонов с гораздо более низким углеродным следом», — говорит Адамцевич.
Лукьянчиков замечает, что технологии, подобные римским, могут быть особенно актуальными для объектов, которым требуются десятилетия стабильной службы без сложного ухода.
Кроме того, открытие критически важно для отрасли реставрации. Чтобы сохранить шедевры вроде Пантеона, Колизея и других памятников римской архитектуры, необходимо использовать максимально аутентичные материалы. Новое понимание горячего смешивания и роли извести позволяет реставраторам точно воспроизводить древнюю технологию.
Сегодня ученые пытаются повысить прочность и долговечность бетона разными способами. По словам Адамцевича, в последние десятилетия инженеры по всему миру активно работают над разными модификациями самовосстанавливающихся бетонов, которые с помощью микрокапсул с реагентами или специальными бактериями самостоятельно «залечивают» трещины при попадании воды по аналогии с работой римских запасов активной извести.
«Один из ключевых современных методов повышения прочности бетона — дисперсное армирование, когда в смесь добавляют тончайшие стальные или синтетические волокна, работающие как арматура, но в микромасштабе, связывая материал и не давая микротрещинам разрастаться», — рассказывает Адамцевич.
Другой подход — использование таких добавок, как, например, суперпластификаторы, позволяющие создать очень плотный и однородный бетон с минимальным количеством воды.
«Существуют также сверхвысокопрочные бетоны с тщательно подобранным размером всех частиц — от песка до микроскопического кремнезема — и с целым комплексом модификаторов. Развиваются и новые бетоны на альтернативных видах вяжущих — например, геополимерный, где вместо цемента используют активированную щелочью золу или шлак, что делает материал очень стойким к высоким температурам и агрессивным средам», — объясняет эксперт.
А какой из этих способов сможет конкурировать по долговечности с античным рецептом, человечество узнает через две тысячи лет.
Источник: РИА Новости