Спустя почти 2000 лет, как Колизей и Пантеон все еще стоят, несмотря на землетрясения, наводнения и военные конфликты?
Внутри чаши Колизея из камня и известкового раствора у посетителей есть достаточно места, чтобы представить ревущую толпу из более чем 50 000 человек, которые когда-то стекались на арену для проведения различных мероприятий, от кровавых гладиаторских боев до пышных процессий и гонок на колесницах. Также известное как Амфитеатр Флавиев, торжественное открытие этого места в 80 г. н.э. включало 100 дней подряд игр и кровопролития, которые, как говорят, включали резню около 9000 животных. Имея четыре этажа и ширину 188 м в самом широком месте, овальное сооружение остается самым большим амфитеатром в мире.
Построенный примерно 40 лет спустя, Пантеон представляет собой умопомрачительный купол, который охватывает 43 метра воздуха и завершается круглым окном в виде зрачка на его вершине, известным как окулус, который наполняет интерьер естественным светом. Название Пантеон, которое сочетает в себе греческие слова «все» и «боги», предполагает религиозную функцию, но некоторые историки считают, что памятник был в основном построен, чтобы отдать дань уважения римским императорам. Несмотря на разрушительное действие времени, культовая полусфера осталась нетронутой и до сих пор является крупнейшим в мире куполом из неармированного бетона.
Когда дело доходило до большого строительства, римляне явно знали, что делают. Спустя почти 2000 лет после того, как они были построены, эти два огромных и технически поразительных сооружения выдержали землетрясения, наводнения и военные конфликты, надолго пережили породившую их империю и стали физическим воплощением непреходящего влияния римской культуры по всему миру.
Но как Древнему Риму удалось создать такую монументальную и долговечную архитектуру так давно?
Инженеры и материаловеды до сих пор изучают римские конструкции и говорят, что секрет заключается в сочетании гениального дизайна с инновационным рецептом бетона, чрезвычайно прочного и адаптируемого материала, который до сих пор используется во всем мире. Хотя римляне не изобрели бетон, они определенно подняли планку для строительства с его помощью.
Заливка бетона позволяла римским архитекторам достигать почти любой формы, которую они могли вообразить, ограниченной только их способностью создавать деревянные формы, необходимые для формирования каменной массы. Но арки, своды и купола, характерные для римских построек, были не просто фантазией.
Александр Спатари/Getty Images)
По словам Ренато Перуччио, инженера-механика из Рочестерского университета в Нью-Йорке, самые высокие выражения застроенной среды Римской империи противостоят современным посетителям с «инженерным подходом». «Римляне провели сложный анализ, который привел их к этим проектам, которые затем были воплощены в чрезвычайно тщательном процессе строительства».
Бетон, который скреплял эти конструкции, также был уникальным и тщательно продуманным. В римском бетоне использовался другой рецепт, чем в современном бетоне, и исследователи, изучающие этот древний материал, говорят, что его ингредиенты, по-видимому, наделяют материал феноменальной устойчивостью к деградации.
Сегодня большая часть бетона состоит из портландцемента — смеси кварцевого песка, известняка, глины, мела и других минералов, которая обжигается при температуре около 2000°C и измельчается в мелкий порошок — и кусочков камня или песка, называемых заполнителями. Смешивание каменистого заполнителя, размер которого варьируется от песка до гравия и небольших кусков камня, с цементом делает полученный бетон более прочным и экономит цемент. Наконец, добавление воды в бетонную смесь вызывает химическую реакцию в цементе, которая связывает эти элементы вместе. По большей части заполнитель в современном бетоне тщательно выбирается, чтобы быть как можно более химически инертным. Идея состоит в том, чтобы избежать любой нежелательной химии после завершения этой начальной реакции, поскольку любые дополнительные реакции в будущем обычно растрескивают или иным образом ослабляют бетон.
Римский бетон, с другой стороны, представляет собой более простую смесь негашеной извести, полученной путем обжига и дробления известняковых пород и, что наиболее важно, заполнителей вулканических пород различных типов, которых было много в окрестностях Рима. В отличие от заполнителей, используемых в современном бетоне, эти вулканические материалы, используемые римлянами, обладают высокой реакционной способностью, и полученный бетон остается химически активным в течение столетий после его первого затвердевания.
«Сегодня портландцементы не должны подвергаться химическим изменениям, а если они и меняются, то обычно это приводит к плохим последствиям», — говорит Мари Джексон, геолог из Университета Юты, десятилетиями изучающая римский бетон. «Римляне хотели, чтобы их бетон реагировал. Они выбрали заполнитель, который продолжал бы участвовать в бетонных процессах с течением времени».
В отличие от современного бетона, эта постоянная реактивность позволяет римскому бетону со временем становиться прочнее. Эти длительные химические реакции могут укрепить небольшие трещины, которые часто образуются между кусками заполнителя и вяжущим цементом, и предотвратить их дальнейшее распространение. Эта регенеративная способность, ставшая возможной благодаря химически активным вулканическим минералам, позволяет римскому бетону выдерживать огромные нагрузки.
Современное бетонное строительство может прослужить 100 лет при условии обслуживания, но некоторые римские постройки сохранились в течение 1000 лет и более практически без посторонней помощи.
«Конечно, сегодня мы можем производить бетон с большей прочностью на растяжение, но что с того?» — сказал Перуккио. «Современное бетонное строительство может прослужить 100 лет при условии обслуживания, но некоторые римские постройки сохранились в течение 1000 лет и более практически без посторонней помощи».
Хотя исследователи в течение многих лет подозревали, что именно добавление вулканических минералов придало римскому бетону его стойкость, только в 2014 году Джексон и другие раскрыли точный химический состав . В своем исследовании они проверили бетонную смесь на основе того, что использовалось при строительстве Рынков Траяна в Риме, и наблюдали рост пластинчатых кристаллов минерала под названием стратлингит в так называемых «пограничных зонах» между кусками вулканического камня. порода и цемент скрепляют смесь. Исследователи написали, что эти кристаллы служили для укрепления этих межфазных зон, которые обычно являются самым слабым звеном в бетонах, изготовленных из портландцемента, что делает римский бетон более устойчивым к растрескиванию.
Недавно новое исследование Джексона и других, опубликованное осенью 2021 года, предполагает, что кристаллический стрэтлингит — не единственный побочный продукт продолжающейся реактивности древнего бетона, благодаря которому он остается прочным. Команда изучила образец бетона из 21-метровой цилиндрической гробницы римской дворянки по имени Цецилия Метелла, которая была построена около 30 г. до н.э. недалеко от древней римской дороги, известной как Аппиева дорога. Оказалось, что этот бетон был изготовлен из вулканических пород, содержащих большое количество богатого калием минерала под названием лейцит.
В течение 2000 лет после постройки гробницы дождь и грунтовые воды просачивались в стены гробницы и растворяли лейцит, высвобождая содержащийся в нем калий в бетоне. В современном бетоне затопление калием может привести к расширению геля и вызвать растрескивание и разрушение.
Но вместо этого Джексон и ее коллеги обнаружили, что реактивные вулканические минералы в римском бетоне способствовали другому результату. Растворенный калий в конечном итоге изменил конфигурацию химического «клея», образующего основу затвердевшего бетона, который поддерживал и повышал прочность материала, несмотря на то, что содержал значительно меньше стратлингита, чем команда наблюдала в бетоне на рынке Траяна.
Что касается того, почему долговечность римского бетона, по-видимому, имеет несколько различное объяснение в этих двух контекстах, Линда Сеймур, которая работала над исследованием, работая над докторской диссертацией в Массачусетском технологическом институте (MIT) в США, сказала, что частично «эти структуры испытывали различные среды, что затем приводило к различным химическим процессам». Сеймур сказал, что различия также могут быть объяснены «различным химическим составом заполнителей, которые использовали римляне, но общей чертой является эта постоянная реактивность, которая приводит к безвредному изменение конфигурации бетона с течением времени».