Древние римляне были гениями строительного и инженерного дела. До наших дней в Европе сохранились многочисленные акведуки и здания, построенные во времена Древнего Рима. Спустя столетия учёные наконец выяснили «рецепт» долговечности так называемого пуццоланового цемента, который на протяжении тысячелетий сохраняет целостность этих старинных строений.

Знаменитый Пантеон даже спустя почти 2 тысячи лет удерживает рекорд самого крупного купольного сооружения в мире. Строительные блоки гигантского купола связаны между собой слоями пуццоланового цемента – вяжущего материала, уникальные свойства которого зачастую приписывают сочетанию извести и пуццоланов. Пуццоланы – это лёгкий пылевидный вулканический продукт, который представляет собой микс пепла, туфы и пемзы. Название материала происходит от итальянского города Поццуоли, в холмах поблизости которого содержатся богатые отложения пуццоланов. При смешении с водой пуццоланов и извести происходит активная химическая реакция, которая приводит к образованию очень крепкого цемента.

Впрочем, оказалось, что рецепт идеального цемента несколько отличается от прежних представлений специалистов. По словам материаловеда Адмира Машича из МТИ, древние римляне использовали особую технику приготовления раствора и активно экспериментировали с ингредиентами. Согласно новому исследованию, секрет пуццоланового цемента заключался в белых комочках извести, распределённых по тщательно вымешанной смеси. Прежде наличие этих грудок объясняли низким качеством материала или плохим вымешиванием раствора. Однако мысль о том, что древние римляне могли «испортить» фактически идеальную смесь подобной небрежностью, не оставляла Машича и его коллег в покое, потому они решили более детально изучить структуру и функцию странных комочков.

Международная команда исследователей тщательно проанализировала двухтысячелетние образцы римского цемента, обнаруженные в ходе раскопок в итальянском Приверно. Для изучения материала они использовали полный спектр научных инструментов: сканирующую электронную микроскопию, энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию, порошковую рентгеновскую дифракцию и конфокальную рамановскую спектроскопию. Одним из главных вопросов исследования был тип извести в этих таинственных комочках. В традиционном понимании при приготовлении пуццоланового цемента используется гашёная известь. Сперва известь нагревают до высоких температур для получения высокореактивного едкого вещества – кирабита или негашёной извести (оксид кальция). Смешением кирабита с водой получают гашёную известь (гидроксид кальция) – менее реактивный и едкий материал, который затем добавляют в цементную смесь.

Анализ учёных показал, что данный метод не позволил бы получить известняковые комочки, свойственные для пуццоланового цемента. В частности, исследователи пришли к выводу, что древние римляне добавляли к пуццоланам негашёную известь, а затем смешивали этот сухой микс с водой при очень высокой температуре. По словам Машича, метод «горячего смешивания» имеет несколько преимуществ над традиционным. Прежде всего высокие температуры позволяют задействовать химические реакции, которые невозможно запустить в холодной воде. В сочетании с использованием негашёной извести высокая температура смешивания компонентов приводит к образованию специфических соединений. Кроме того, данный метод значительно сокращает время схватывания и отвердевания цемента благодаря ускорению реакций внутри материала.

И наконец, именно такой способ приготовления пуццоланового цемента придаёт материалу уникальную способность к самовосстановлению. В любом строительном материале рано или поздно неизбежно появляются трещины. В древнеримском цементе трещины «наталкиваются» на комочки кирабита: при контакте с водой, например, во время дождя, известь реагирует преобразованием в карбонат кальция, «склеивая» трещину и предотвращая её дальнейшее распространение. Примеры подобных метаморфозов можно наблюдать в Мавзолее Цецилии Метеллы, в стенах которого трещины оказались заполненными кальцитом. Чтобы протестировать своё открытие, Машич и его коллеги изготовили несколько версий пуццоланового цемента с гашёной и негашёной известью при разных температурных режимах, а затем испытали отвердевшие образцы на предмет поведения при повреждении. Эксперимент показал, что спустя две недели после повреждения трещины в цементе с негашёной известью «затянулись» кальцитом, а в контрольных образцах трещины остались на месте. В обозримом будущем учёные рассчитывают коммерциализировать и популяризовать именно такой вариант пуццоланового цемента как более экологичную альтернативу современным самовосстанавливающимся строительным смесям.