Матеріалознавці вже багато років працюють з археологами та істориками, намагаючись розкрити захоплюючі секрети технологій та методів виготовлення бетону Римської імперії, які дозволили римлянам побудувати одні з найдовговічніших пам'яток, які будь-коли бачив світ. У дослідженні, опублікованому в журналі Science Advances, вчені з Массачусетського технологічного інституту та Гарвардського університету за сприяння фахівців з лабораторій Німеччини та Швейцарії розкрили ключовий, на їхню думку, факт, який пояснює, чому римський бетон був такої високої якості.

Спадщина римської архітектури

Серед своїх найбільших здобутків древні римляни удосконалили мистецтво будівництва у грандіозних масштабах. Їхні архітектори та інженери збудували складну та розгалужену мережу доріг, акведуків, мостів, портів, стадіонів та громадських будівель, які значною мірою збереглися до наших днів.

Римські формули бетону – тема, що заворожує з історичної точки зору, але з практичної точки те, що знали римляни, може допомогти покращити методологію виготовлення бетону і сьогодні.

У пошуках відповідей вчені витратили багато часу та енергії на вивчення римських бетонних конструкцій, ретельно аналізуючи зразки у спробі визначити їх найважливіші інгредієнти. До групи експертів, відповідальних за останні результати, входять професор цивільного та екологічного будівництва Массачусетського технологічного інституту Адмір Масич та колишня аспірантка Лінда Сеймур, які брали участь у епохальному дослідженні 2021 римської гробниці знатної жінки на ім'я Цецилія Метелла. Вік гробниці 2053, і вона залишилася практично непошкодженою, незважаючи на величезний проміжок часу.


Інтер'єр гробниці Цецилії Метелли на Апієвій дорозі витримав випробування часом завдяки секретам римського бетону.

Масич, Сеймур та інші вчені, які брали участь у дослідженні, виявили, що неймовірно міцний розчин із гашеного вапна та вулканічного попелу був основним фактором, який дозволив гробниці залишитися цілою з моменту її початкового будівництва в останні дні Римської республіки.

Тепер, разом із новою групою експертів, Масич і Сеймур зробили ще одне важливе відкриття про римську техніку будівництва з бетону, яке допомагає пояснити дивовижну тривалість життя їхніх споруд. І що цікаво, вкотре було доведено, що вирішальну роль відіграв унікальний матеріал, виготовлений із вапна.

Як римляни використовували хімію, щоб зробити найміцніший бетон в історії

Довгий час дослідники були переконані, що особливий вид вулканічного попелу, що входить до складу римського бетону, є основною причиною його міцності. Цей вид попелу був відомий як пуцолановий попіл, оскільки він утворювався внаслідок вивержень, що відбувалися навколо міста Поццуолі на березі Неаполітанської затоки. Він широко використовувався у будівельних проектах по всій Римській імперії і був затребуваний завдяки своєму твердому та стійкому хімічному складу.

Але вчені з'ясували, що причина довговічності римського бетону була не лише у вулканічному попелі. У ході ретельного вивчення кількох зразків дослідники виявили, що древні технології виробництва бетону включали те, що фахівці називають “ключовими функціями самовідновлення”.

Під цим терміном маються на увазі крихітні, яскраво-білі шматочки мінералу, відомі як "вапняні класти" (простіше - маленькі шматочки вапна), які удосталь зустрічаються в зразках римського бетону.


Збільшений шматок римського бетону, що складається з вапна, вулканічного піску та каменю.

Раніше вважалося, що ці шматочки затверділого вапна є погано перемішаними домішками, які не відіграють суттєвої ролі у формулі бетону. Але Адмір Масич завжди скептично ставився до такого висновку та вирішив довести, що це не так.

І він мав рацію. Вчені використовували методи візуалізації з високою роздільною здатністю та хімічного картування, вперше застосовані в Массачусетському технологічному інституті, щоб вивчити вапняні вкраплення на молекулярному рівні. Вони виявили ознаки того, що вапняна крихта була піддана високому нагріванню, яке при впливі на вапняк призводить до утворення речовини, відомої сьогодні як негашене вапно.

На думку вчених, негашене вапно було додано спеціально як додатковий інгредієнт у бетоні і зовсім не було ознакою низького контролю якості при виготовленні суміші.


В результаті процесу гарячого змішування одержувана вапняна крихта була досить тендітна. Настільки, що коли щось викликало розтріскування бетону, сила передавалася на вапняні класти, які починали тріскатися. Неймовірно, але вапняні камінці, що руйнуються, вступали в реакцію з водою, що проникає в бетон через тріщини, утворюючи насичений кальцієм розчин, який тверднув, заповнюючи всі ці тріщини в бетоні, і вступав в реакцію з пуццолановим матеріалом, надаючи блокам додаткову міцність.

Іншими словами, вапняна крихта автоматично "лікувала" бетон щоразу, коли сили природи мали намір його зруйнувати.


Багатий на кальцій вапняний класт (червоного кольору), який відповідає за унікальні властивості самовідновлення в цьому стародавньому матеріалі, чітко видно в нижній області великомасштабної карти елементів (кальцій: червоний, кремній: синій, алюміній: зелений) 2-сантиметрового фрагмента давньоримського бетону.

Щоб перевірити свої висновки про здатність вапняних уламків до самовідновлення, вчені виготовили два зразки гарячої бетонної суміші – за давньоримською та сучасною рецептурою. Потім вони спеціально потріскали їх та залили через тріщини воду, щоб подивитися, що станеться.

Як і було передбачено, за неповних два тижні блоки з римського бетону, що розтріскалися, повністю "загоїлися" і більше не були вразливі для проникнення води. А зразки, виготовлені з сучасних бетонних складів, залишилися з тріщинами і ще більше зруйнувалися, якби піддавалися постійному впливу води.

Вчені хочуть знати, чи можна використовувати римський бетон сьогодні?

Натхненні результатами випробувань, вчені зараз шукають інвесторів для початку комерційного використання римського бетону, що має явні переваги перед більшістю сучасних варіантів.


У дослідницькій лабораторії Адміра Масіча в Массачусетському технологічному інституті матеріалознавці експериментують із новими складами бетону, які можуть зменшити вплив виробництва цементу на глобальний клімат (нині на виробництво цементу припадає близько восьми відсотків глобальних викидів парникових газів). Масич зазначає, що більш довговічний бетон міг би допомогти знизити цей відсоток, оскільки конструкції з бетонних блоків, які будуть служити так само довго, як римські акведуки, не потребують частого ремонту чи заміни.