Древните римляни са били майстори в строителството и инженерството, което най-ярко се вижда в акведуктите. Тези все още функциониращи канали за вода разчитат на уникален строителен материал: пуцоланов бетон, изключително издръжлива смес, която е придала на римските съоръжения невероятна здравина. Дори и днес един от техните шедьоври – Пантеонът в Рим, все още непокътнат и на почти 2000 години – държи рекорда за най-големия купол от неармиран бетон в света.
Забележителните свойства обикновено се приписват на неговите съставки: пуцолана – смес от вулканична пепел, кръстена на италианския град Поцуоли, където се намира значително находище – и вар. Двата материала реагират с вода, за да образуват здрав, дълготраен бетон. Но се оказва, че това не е цялата история. През 2023 г. международен екип, ръководен от учени от Масачузетския технологичен институт, откри, че не само материалите в римския бетон са малко по-различни от това, което сме мислили, но и техниките, използвани за смесването им.
На какво всъщност се дължи здравината
Още: Каква е основната разлика между цимент и бетон?
И от тези открития през 2023 г. насам, анализът на суровините и енергийните изисквания на древната рецепта разкри начини, по които можем да подобрим съвременния цимент.
Доказателствата била малки, бели парченца вар в иначе добре смесен бетон. Наличието на тези парченца преди това се приписвало на лошо смесване или на съставките.
„Ако римляните са положили толкова много усилия в производството на изключителен строителен материал, следвайки всички подробни рецепти, които са били оптимизирани в течение на много векове, защо са положили толкова малко усилия, за да гарантират производството на добре смесен краен продукт?“, каза Масич през януари 2023 г.
Масич и екипът, ръководен от инженера Линда Сеймур, внимателно проучили 2000-годишни проби от римски бетон от археологическия обект Привернум в Италия. Тези проби били подложени на сканираща електронна микроскопия на голяма площ, енергийно-дисперсионна рентгенова спектроскопия, рентгенова дифракция на прах и конфокално раманово изображение, за да се научи повече за варовите класти.
Още: Какви са правилните пропорции цимент и пясък за бетон
Един от основните въпроси бил естеството на използваната вар. Стандартното разбиране за пуцолановия бетон е, че в него се използва гасена вар. Първо, варовикът се нагрява при високи температури, за да се получи силно реактивен каустичен прах, наречен негасена вар или калциев оксид. Смесването на негасена вар с вода води до получаването на гасена вар или калциев хидроксид: малко по-малко реактивна, по-малко каустична паста. Според теорията, именно тази гасена вар древните римляни смесвали с пуцолана.
Анализът на екипа установил, че варовите класти в пробите им не съответстват на този метод. Вместо това, римският бетон вероятно е бил произведен чрез смесване на негасена вар директно с пуцолана и вода при изключително високи температури – процес, който екипът нарече „горещо смесване“, в резултат на което се получават варовите класти.
„Предимствата на горещото смесване са две. Първо, когато бетонът като цяло се нагрява до високи температури, това позволява химични реакции, които не са възможни, ако се използва само гасена вар, като се получават съединения, свързани с висока температура, които иначе не биха се образували. Второ, тази повишена температура значително намалява времето за втвърдяване и закрепване, тъй като всички реакции се ускоряват, което позволява много по-бързо строителство", смята Масич.
Има и друго предимство: варовите класти придават на бетона забележителни самовъзстановяващи се способности. Когато се образуват пукнатини, те се разпространяват предимно към варовите класти, които имат по-голяма повърхност от другите частици в матрицата. Ако вода попадне в пукнатината, тя реагира с варта и образува разтвор, богат на калций, който изсъхва и се втвърдява като калциев карбонат, залепвайки пукнатината и предотвратявайки разпространяването ѝ.
Това е наблюдавано в бетон от друг обект на 2000 години, гробницата на Цецилия Метела, където пукнатините са запълнени с калцит. Това би могло да обясни и защо римският бетон от морските диги, построени преди 2000 години, е оцелял непокътнат в продължение на хилядолетия, въпреки постоянното въздействие на водата.
Екипът провел тестове за пукнатини върху пуцоланов бетон – създаден по древни и съвременни рецепти за негасена вар – и върху контролен бетон без негасена вар. Както се очаквало, пукнатият бетон с негасена вар се възстановил в рамките на две седмици, но контролният бетон останал с пукнатини.
Изследователите работят по комерсиализирането на своя бетон като по-екологична алтернатива на настоящите смеси.
„Вълнуващо е да се мисли как тези по-трайни бетонни формулировки биха могли да удължат не само експлоатационния живот на тези материали, но и да подобрят трайността на 3D-отпечатаните бетонни формулировки“, каза Масич.
В проучване от 2025 г. инженерите сравнили изискванията за суровини и енергия на бетона в римски стил с тези на съвременния портланд цимент. Те установили, че макар смесите в римски стил да изискват повече вода и начален енергиен принос, по-дългият им експлоатационен живот може да ги направи по-устойчиви във времето.
Изследването е публикувано в Science Advances.
