За прошедшие две тысячи лет многие постройки возводились на более высоком уровне, чем современные.
Древние здания, сохранившиеся в хорошем состоянии, неизменно вызывают интерес у историков и археологов. Это вполне объясняется тем, что под защитой стен и крыш артефакты подвергаются меньшему разрушению по сравнению с открытыми участками. Однако на этот раз древнеримская постройка привлекла внимание физиков, химиков и инженеров. 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 – значимый образец древнеримской архитектуры, нередко изображаемый на картинах европейских мастеров. Это круглая башня, возведенная на квадратном основании. Стены построены из крупных камней вулканического происхождения, скрепленных бетоном. Затем здание облицевали блоками из травертина, напоминающими большие кирпичи. Квадратное основание гробницы выполнено из бетона. Для возведения использовали материалы, образовавшиеся из застывшей лавы, которая когда-то изливалась из вулканов в районе Альбанских гор. Высота сооружения составляет 21 метр, а его диаметр – 29 метров.
Мавзолей был возведен возле Аппиевой дороги в период с 30 по 10 год до нашей эры. Считается, что заказчиком строительства был сын Цецилии Метеллы, женщины из высокопоставленного рода, супруги сына Марка Красса, который вместе с Цезарем и Помпеем сформировал первый триумвират в 59 году до нашей эры.
Строительство гробницы Цецилии Метеллы ознаменовало начало развития новых строительных технологий в Древнем Риме. Общее описание этих технологий было представлено Марком Витрувием Поллионом в его известном труде «Десять книг об архитектуре». В нём он указал, что применение толстых стен, возводимых из кирпича или вулканического камня и скрепляемых раствором на основе извести и вулканической тефры (пористых обломков стекла и кристаллов, образовавшихся в результате взрывных извержений), позволило создавать сооружения, которые «не разрушатся со временем».
Показателем того, что принципы, изложенные Витрувием, остаются актуальными, служит отличное состояние многих римских сооружений, возведенных по этим же основам. В качестве примера можно привести Рынок Траяна (построенный в 100-110 годах нашей эры, более чем через столетие после гробницы). Подобная конструкция используется и при создании пирсов, и волнорезов. И, конечно, гробница. Несмотря на то что стенам уже более двух тысяч лет, бетон остается очень прочным. В чем секрет?
Исследователи установили, что в тефре, применяемой при возведении гробницы, содержалось значительное количество лейцита — минерала магматического происхождения, содержащего большое количество калия. На протяжении многих лет дождевые и грунтовые воды, проникая через стены гробницы, растворяли лейцит и высвобождали калий в раствор. В современном бетоне высокое содержание калия привело бы к образованию расширяющихся гелей, способные спровоцировать появление микротрещин и привести к разрушению конструкции. Но почему этого не произошло с гробницей?
Используя рентгеновскую дифракцию и рамановскую спектроскопию, исследователи установили, что бетон претерпел неоднородные изменения. Растворенный калий вызывал различные изменения структуры соединений в разных областях материала. Анализ с помощью рентгеновской дифракции позволил изучить измененные участки на молекулярном уровне, что показало, что они приобрели нанокристаллическую структуру и уменьшили средний размер составляющих бетон «зёрен». Ученые полагают, что эти измененные области способствуют усилению взаимодействия между компонентами бетона.
Для обеспечения надежности здания ключевую роль играет место соприкосновения бетона с элементами, которые он объединяет (камнями, кирпичами). В современном бетоне щелочные компоненты и кремнезем (содержащийся в песке) вступают в химические реакции, формируя гели, которые увеличиваются в объеме и, как следствие, приводят к разрушению конструкции. В то время как в древнеримском бетоне эти реакции вызывают образование нанокристаллических структур (без изменения объема, но с изменением структуры), что даже увеличивает его прочность. Этот процесс преобразования длительный и непрерывный, то есть конструкция постоянно, пусть и незначительно, становится крепче, что позволяет ей выдерживать воздействие разрушительных сил. Таким образом, она как бы непрерывно «самовосстанавливается», в отличие от современных бетонов.
Специалисты считают, что исключительная прочность стен гробницы Цецилии Метеллы обусловлена двумя причинами: римские строители использовали тефру, насыщенную лейцитом, в качестве заполнителя, и гробница расположена в районе с обильными осадками и грунтовыми водами. Такое расположение обеспечивало непрерывное увлажнение и «самовосстановление» строительных материалов.
Авторы исследования полагают, что их разработка позволит производить современные бетоны, обладающие характеристиками, аналогичными древнеримским. Это может оказаться особенно ценным при строительстве гидротехнических объектов, таких как плотины.