Стріла часу летить в один бік, і з нею приходить руйнування. Ми будуємо наші споруди, щоб вони служили якомога довше, але навіть найміцніші матеріали зрештою тріскаються, слабшають і руйнуються.

Давній римський бетон робив це трохи інакше. Вчені давно знали, що бетон, збудований під час Римської імперії, здається, стає міцнішим з часом.

Попередні дослідження вказували, що ця надзвичайна міцність зумовлена реакцією між вулканічним попелом, відомим як поццолан, і вапном, що призводить до утворення надзвичайно стійких мінералів у бетоні.

Тепер вчені виявили, що є ще одна частина цієї історії: повільні, але постійні реакції вуглекислого газу з повітря.

«Хоча поццоланова реакція є основоположною, наші результати свідчать про те, що карбонізація протягом тривалого часу також підвищує міцність бетону і може допомогти запечатати тріщини з віком», — говорить інженер Пауло Монтейро з Університету Каліфорнії в Берклі.

Відкриття команди, детально описане в Science Advances, дає нам нове розуміння навіть більш звичайних римських споруд, які, тим не менш, були наповнені інженерною майстерністю.

Однією з чудових рис римської інженерії є те, що багато споруд залишаються в чудовому стані, тоді як багато сучасних будівель перетворилися на руїни.

Пантеон у Римі — найвідоміший приклад — це 2000-річний храм, увінчаний величезним куполом з необробленого бетону, найбільша споруда свого роду у світі.

Але щоб виявити секрети римського бетону, Монтейро, його співавтор Сяохонг Чжу з Пекінського технологічного університету та їхні колеги звернулися до маловідомого, набагато менш гламурного джерела.

У II столітті нашої ери імператор Адріан мав віллу в Тіволі в Італії, більша частина якої досі стоїть.

Звідти дослідники витягли невеликий шматок бетону з загального туалету, який колись підтримував імператорські дупи.

Використовуючи набір технологій високої роздільної здатності, дослідники вивчили свій зразок до нано-рівня.

Як і очікувалося, вони виявили ознаки поццоланової реакції, в якій вулканічний попіл і вапно реагують, щоб утворити надзвичайно міцні мінерали в бетоні.

Але вони також виявили щось інше.

Протягом століть вуглекислий газ з атмосфери реагував з залишками вапна в бетоні, щоб виробити кальцит — той самий мінерал, який можна знайти в вапняку.

Це не було простим побічним продуктом процесу старіння, як виявили дослідники.

Кальцит, здається, зробив бетон міцнішим. Він кристалізувався в маленьких порах і тріщинах, роблячи бетон щільнішим і поступово запечатуючи слабкості, які інакше поширилися б з часом.

Раніше дослідження виявили кальцит у римському бетоні, але не вивчали його в тривимірному вимірі або не картографували його архітектуру.

Ця робота, як кажуть дослідники, свідчить про те, що кальцит міг відігравати недооцінювану роль у неймовірній довговічності римського бетону — не замінюючи відомий внесок поццоланової реакції, а працюючи разом з нею.

Вчені вже працювали над відтворенням римського бетону. Карбонізація відбувається природно в бетоні на основі вапна, незалежно від того, чи знаєте ви, що вона там є, але розуміння ролі, яку вона відіграє, може дати дослідникам ще один інструмент, коли вони намагаються створити бетон, який триватиме довше, виробляючи менше вуглецю.

«Розуміння того, як динаміка кристалізації карбонату кальцію зв'язує бетон разом і сприяє його довгостроковій міцності, може дати нові уявлення про довгострокову мінералогічну еволюцію та природну карбонізацію вапняних зв'язуючих», — говорить Монтейро.

Давні римські споруди, від грандіозного Пантеону до скромного туалету Адріана, дають нам вражаючі приклади бетону, який залишався структурно міцним протягом тисячоліть.

Це не означає, що ми можемо просто будувати так, як це робили римляни. Сучасні будівлі ставлять набагато більші вимоги до своїх матеріалів, і армований бетон стикається з проблемою, з якою римські інженери ніколи не стикалися: корозією сталевої арматури, вмонтованої в нього.

Нові знахідки можуть допомогти дослідникам у спробах розробити довговічніший, більш стійкий бетон для майбутнього.

Цікавий факт

Пантеон у Римі, з його величезним куполом, є найбільшою спорудою з необробленого бетону у світі, яка збереглася протягом 2000 років.