Римский бетон стал таким долговечным благодаря морской воде

Геологи и материаловеды из США, Китая и Италии выяснили, как образуется Al-торберморит — минерал, обеспечивающий прочность бетона. Он возникает в результате химической реакции с морской водой. Именно этот минерал, по мнению ученых, помог сохраниться до наших дней бетонным волнорезам, построенным римлянами более 2000 лет назад. С исследованием можно ознакомиться в журнале American Mineralogist.

В современном строительстве используется бетон, получаемый из смеси воды и портландцемента, состоящего в основном из порошков известняка, глины и гипса. Такой бетон разрушается со временем, особенно под действием морской воды. Древние римляне вместо портландцемента применяли смесь вулканического пепла и извести. В результате, как писал римский ученый Плиний Старший, подводные постройки становились «единым массивом камня, неприступным для волн и укреплявшимся день ото дня».

В своих более ранних работах авторы исследования сообщали о редком минерале, Al-тоберморите, который они находили в древнеримском бетоне. Al-тоберморит (читается как «алюминий-тоберморит», «алюминий замещенный тоберморит») — это разновидность минерала тоберморита с формулой Ca₅Si₆O₁₆(OH)₂ * nH₂O, характеризующаяся высоким содержанием алюминия (Al), замещающего кремний (Si). Такое явление называется изоморфизм.

Al-тоберморит является ключевым компонентом долговечности древнего подводного «римского бетона». Искусственный аналог Al-торберморита образуется в портландцементе. Cоединения, аналогичные минералам группы тоберморита, хорошо известны в цементной промышленности — они образуются при реакции цемента с водой и играют важную роль в процессе связывания цемента (бетона).

В новом исследовании химики изучали распределение Al-тоберморита в образцах бетона с помощью синхротрона Advanced Light Source Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Ученые обнаружили частицы минерала филлипсита (с более сложной формулой K₆(Si₁₀Al₆)O₃₂ * 12H₂O), который часто встречается в вулканических породах, и доказали, что именно из этого минерала под воздействием морской воды образовывался Al-тоберморит.

Филлипсит кристаллизуется в порах агрегатов из вулканического пепла, которые применяли древние римляне в качестве бетона, а также в природных вулканических объектах. Под действием щелочных растворов, образующихся из морской воды и циркулирующих в порах, после растворения или разложения филлипсита кристаллизуется Al-тоберморит.

До этого подобные реакции были замечены всего в нескольких местах, например вблизи вулкана Сюртсей в Исландии. Ученые подтверждают, что именно Al-тоберморит делает бетон таким долговечным: его длинные кристаллы обеспечивают материалу гибкость, и благодаря этому под давлением он деформируется, а не разрушается.