Бетон в древен римски гроб: какво го прави толкова устойчив?

Древните бетонни конструкции в римските сгради често се оказват удивително здрави. Изследванията на над 2000-годишната гробница на Цецилия Метела в Рим показват защо това е така. Разбирането на древните материали може да стимулира развитието на постоянни и устойчиви строителни материали за бъдещето.

Бетонът често започва да се руши след няколко десетилетия – но изненадващо, това не е така с много римски постройки. Защото те все още стоят и показват забележителна издръжливост, въпреки наличието на условия, които биха разрушили съвременния бетон. Това се дължи на някои специални свойства на античния бетон. Новите изследвания в това отношение могат да доведат до по-трайни и устойчиви съвременни конструкции.

Голямата цилиндрична гробница на Цецилия Метела от 1 век пр.н.е. е специална постройка. Ново изследване на учени от Масачузетския технологичен институт, публикувано в Journal of the American Ceramic Society, показва, че бетонът в гроба ѝ е с високо качество. За това допринасят вулканичната скала, избрана от строителите, и необичайните химически взаимодействия с дъждовни и подпочвени води, които се натрупват в продължение на две хилядолетия.

Водещите автори на изследването Адмир Машич, доцент по строителни и екологични технологии в Масачузетския технологичен институт, и Мари Джаксън, доцент по геология и геофизика в Университета на Юта, се обединиха, за да разберат минералния състав на древната бетонна структура.

Удивително кохезивен античен бетон

Гробницата на Цецилия Метела се намира на древния римски път, известен още като Via Appia Antica. Състои се от кръгла постройка, която се опира на квадратна основа, висока е около 21 метра и има диаметър 29 метра. Гробницата е построена около 30 г. пр.н.е., по времето на прехода от Римска република към Римска империя при император Август (27 г. пр. н. е.) и се счита за един от най-добре запазените паметници на Виа Апия.

Самата Цецилия произхожда от знатен род. Тя се омъжва в семейството на Марк Крас, който влиза в станалия известен съюз с Юлий Цезар и Помпей.

Гробницата е пример за усъвършенстваните технологии на бетонно строителство в късния републикански Рим. Тези техники са описани от архитекта Витрувий, когато гробницата на Цецилия Метела все още е в процес на изграждане. Изграждането на дебели стени от груби тухли или вулканична скала, свързани с хоросан, направен от вар и вулканична тефра (порьозно счупено стъкло и кристали от изригвания), би създало структури, които няма да се разпаднат за дълъг период от време.

Думите на Витрувий се потвърждават от множеството римски постройки, които днес все още съществуват, включително пазарите на Траян (построени между 100 и 110 г. сл. Хр., повече от век след гробницата) и морски структури като кейове и вълноломи.

Това, което древните римляни не биха могли да знаят обаче, е как с течение на времето кристалите на богатия на калий минерал левцит ще се разтворят във вулканичните инертни материали, като по този начин ще се трансформира граничната повърхност между вулканичните материали и циментовата свързваща матрица и по този начин ще се подобри кохезията на бетона.

Науката зад уникалната мощна субстанция

Хоросанът в дебелите бетонни стени на гробницата на Цецилия Метела съдържа вулканична тефра и свързва големи парчета тухли и агрегати от лава. Той е подобен на хоросана, използван 120 години по-късно при пазарите на Траян. Връзката на хоросана при пазарите на Траян се състои от градивен блок, известен като C-A-S-H свързваща фаза (калциево-алуминиев-силикатен хидрат) и кристали от минерал, наречен стретлингит.

Тефрата, която римляните използвали за хоросана на Цецилия Метела, обаче, съдържала голямо количество богат на калий левцит. Векове наред дъждът и подпочвените води, които се просмукват през стените на гроба, разтварят левцита и освобождават калия в хоросана. В съвременния бетон излишъкът от калий би образувал експанзивни гелове, което би довело до микропукнатини и в крайна сметка до влошаване на структурата. В гробницата обаче калият се разтваря и преконфигурира фазата на връзката C-A-S-H.

Античен бетон: процесите на ремоделиране укрепват граничните повърхности и подобряват механичните характеристики

Стефано Роашио, археологът, отговарящ за гробницата, посочва, че изследването е от голямо значение за разбирането на други древни и исторически бетонни структури, където се използва агрегатът Pozzolane Rosse. „Граничната повърхност между инертния материал и хоросана на всеки бетон е от основно значение за издръжливостта на конструкцията“, казва Машич. „Алкално-силициевите реакции в съвременния бетон, които образуват експанзивни гелове, могат да повлияят граничните повърхности дори на най-твърдия бетон.

„Установено е, че граничните повърхности в древния римски бетон в гробницата на Цецилия Метела непрекъснато се развиват поради дългосрочни процеси на ремоделиране“, казва Машич. „Тези процеси ги укрепват и вероятно допринасят за подобряване на механичните характеристики и якостта на счупване на древния материал.“