Удивительная находка: исследователи обнаружили в римском бетоне обычно очень редкий минерал, которому тысячи лет. Это придает античному бетону устойчивость, действуя как связующее вещество и препятствуя распространению трещин. Удивительная вещь: алюминизированный тоберморит обычно образуется только при высокой температуре. Однако особый рецепт римского бетона означает, что этот минерал можно образовать, просто вступив в контакт с морской водой.
Бетон - один из важнейших строительных материалов в современном мире. Важнейшим компонентом является цемент, вяжущее из извести, глины и других компонентов, которое при затвердевании образует устойчивые соединения силиката кальция. Бетон смешивают с песком и щебнем. Проблема с этим: какой бы твердой ни была эта масса в начале, она не долговечна. Через 50-100 лет образуются трещины, и конструкция начинает рушиться.
Вулканический пепел как «секретный ингредиент»
Как ни странно, это не относится к древнеримскому бетону: римские доки и другие сооружения сохранились почти 2000 лет практически без проблем. Древние постройки выдерживали даже землетрясения. И если современный бетон подвергается коррозии еще быстрее при контакте с морской водой, то римский бетон этого не делал: «Как только он соприкасается с волнами, он образует единую каменную массу, непроницаемую для волн и крепнущую с каждым днем», - писал уже Плиний Старший.
Исследователи расшифровали одну из причин этого несколько лет назад: римляне смешали вулканический пепел с известью сырого цемента. Смешанный с водой, более крупными кусками туфа и золой, этот состав вызывает особую реакцию в римском бетоне: при медленном твердении образуются пластинчатые, переплетенные кристаллы алюмосиликата кальция, которые стабилизируют бетон.
Редкий минерал в древнем бетоне
Джексон и ее коллеги в своем новом исследовании обнаружили еще один компонент римского бетона. Для этого они просвечивали тонкие срезы образцов римского бетона с помощью рентгеновского излучения синхротрона в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Это позволило проводить высокоточный анализ состава кристаллов.
Удивительный результат: римский бетон содержит обычно очень редкий минерал: алюминированный тоберморит. Этот минерал силикат кальция с атомами алюминия требует чрезвычайно высоких температур для производства в лаборатории и может производиться только в небольших количествах. «Это очень сложно сделать», - говорит Джексон.
Минерал обеспечивает дополнительную стабильность благодаря слоистым пластинчатым кристаллам. Как выяснили исследователи, минеральные кристаллы образовались в основном между поверхностью больших кусков римского бетона и мелкозернистым цементом. В результате они действуют как клей и благодаря своей замковой структуре предотвращают дальнейшее распространение трещин в бетоне.
Только морская вода сделала бетон устойчивым
Но как этот редкий тоберморит попал в римский бетон? Из древних преданий известно, что римляне не нагревали свой цемент особенно сильно и долго. Следовательно, он должен был возникнуть по-другому. Однако: «Никто еще не производил этот тоберморит при комнатной температуре - кроме римлян», - говорит Джексон.
Изюминкой загадочного минералообразования, по-видимому, является контакт цемента с морской водой, как выяснили исследователи. Это растворяло части вулканического пепла и приводило к перекристаллизации и образованию в массе новых минералов. Это также привело к алюминированному тобермориту.«Вопреки всем принципам современного бетонного строительства, римляне создали похожий на камень бетон, который процветал даже в открытом химическом обмене с морской водой», - говорит Джексон.
Ищем современные копии
По мнению ученых, формула, использовавшаяся древними римлянами, могла также сделать сегодняшние бетонные конструкции более устойчивыми и долговечными. К сожалению, точный рецепт был утерян, а вулканический пепел, который они использовали, доступен не везде. «Римлянам повезло с итальянским туфом!» - говорит Джексон. «К сожалению, в большей части мира нет этих камней, поэтому нам нужно их заменить.
Джексон и ее коллеги уже начали искать рецепт замены. Для этого они экспериментируют, среди прочего, с морской водой из Тихого океана и вулканическим пеплом из западной части Соединенных Штатов. Некоторые производители цемента также уже исследуют современные варианты римского цемента.