Уникальная гробница римской знатной женщины Цецилии Метеллы раскрывает секреты стойкости древнего бетона

Одно из таких построек - большая цилиндрическая гробница дворянки I века Цецилии Метеллы. Новое исследование показывает, что качество бетона ее гробницы может превосходить качество бетона памятников ее современников-мужчин из-за вулканического агрегата, который выбрали строители, и необычных химических взаимодействий с дождем и грунтовыми водами с этим агрегатом на протяжении двух тысячелетий.

«Строительство этого очень инновационного и прочного памятника и ориентира на Виа Аппиа Антика свидетельствует о том, что она пользовалась большим уважением, - говорит Мэри Джексон, доцент геологии и геофизики в Университете штата Юта, - и бетонная ткань 2050 годы спустя отражает сильное и устойчивое присутствие ».

Исследование опубликовано в Журнал Американского керамического общества и частично финансируется программой ARPA-e Министерства энергетики США «Чрезвычайная долговечность цементных материалов».

Кем была Цецилия Метелла?

Гробница Цецилии Метеллы - достопримечательность на Виа Аппиа Антика, древней римской дороге, также известной как Аппиева дорога. Он состоит из барабанной башни, стоящей на квадратном основании, в общей сложности около 70 футов (21 м) в высоту и 100 футов (29 м) в диаметре. Построенная около 30 г. до н. Э., При преобразовании Римской республики в Римскую империю во главе с императором Августом в 27 г. до н. Э., Гробница считается одним из наиболее хорошо сохранившихся памятников на Аппиевой дороге (был построен замок, прикрепленный к гробнице. в 14 веке).

Сама Цецилия была членом богатой семьи, дочерью римского консула. Она вышла замуж за семью Марка Линция Красса, римского полководца и государственного деятеля, который заключил знаменитый союз триумвирата с Юлием Цезарем и Помпей.

Облицованный кирпичом бетон коридора Муньос в гробнице Цецилии Метеллы. 

О жизни Цецилии известно немного, но непреходящие размеры ее могилы веками привлекали внимание посетителей, в том числе лорда Байрона, который написал о гробнице в «Паломничестве Чайльда Гарольда» в начале 1800-х годов. Описав структуру, похожую на крепость, Байрон спрашивает:

«Что это была за башня силы? в своей пещере

Какое сокровище было так заперто, так спрятано? - Могила женщины ».

Джексон посетил гробницу в 2006 году с археологом Дотторессой Лизой Джанмикеле и с разрешения Soprintendenza Archeologia di Roma на сбор небольших образцов раствора для анализа.

«Это был очень теплый июньский день, - говорит она, - но когда мы спустились по ступеням в гробницу, воздух стал очень прохладным и влажным». Она отмечает компактные, сплоченные, почти идеально сохранившиеся стены из кирпичной кладки и почти водонасыщенные обнажения вулканических пород в субструктуре.

«Атмосфера была очень спокойной, - добавляет она, - за исключением порхания голубей в открытом центре круглой конструкции».

Что такое римский бетон?

Прежде чем углубляться в подробности, давайте сориентируемся на терминологию конкретного. Пройдите практически по любому тротуару, и вы увидите, что бетон состоит из заполнителя (каменного песка и гравия) и цементного вяжущего. Цемент в современном тротуаре, вероятно, представляет собой портландцемент, полученный путем нагревания известняка и глинистых минералов в печи для образования клинкера, измельчения клинкера и добавления небольшого количества гипса.

Гробница является примером усовершенствованных технологий бетонного строительства в позднем республиканском Риме, не содержащего цемента. Технологии были описаны архитектором Витрувием в период строительства гробницы Цецилии Метеллы. Строительство толстых стен из грубого кирпича или заполнителя вулканической породы, связанного с раствором, сделанным из гашеной извести и вулканической тефры (пористые фрагменты стекла и кристаллы от взрывных извержений), привело бы к созданию структур, которые «в течение длительного времени не превращаются в руины. ”

Лава, покрывающая вулканическую тефру в основании гробницы. 

Слова Витрувия подтверждаются многочисленными римскими сооружениями, стоящими сегодня, в том числе Рынками Траяна (построенными между 100 и 110 гг. Н. Э., Более чем через столетие после гробницы) и морскими сооружениями, такими как пирсы и волнорезы, которые Джексон и ее коллеги также изучали. .

Однако древние римляне не могли знать, как кристаллы минерала лейцита, богатого калием, в вулканическом агрегате тефры со временем растворяются, благотворно реконструируя и реорганизуя когезию бетона.

Чтобы понять минеральную структуру бетона, Джексон объединился с исследователями Линдой Сеймур и Адмиром Масичем из Массачусетского технологического института и Нобумичи Тамурой из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Они исследовали микроструктуру бетона с помощью множества мощных научных инструментов.

«Образцы, такие как древний строительный раствор, очень неоднородны и сложны, состоят из смеси различных кристаллических фаз с размером зерен от нескольких микрометров до нескольких нанометров», - говорит Тамура, который проводил анализ с использованием усовершенствованного источника света 12.3.2. . По его словам, чтобы идентифицировать различные минералы в образце, а также их ориентацию, вам понадобится такой инструмент, как микродифракционный луч в усовершенствованном источнике света, который производит чрезвычайно яркий и энергичный карандашный рентгеновский луч микронного размера, который может проникать сквозь него. по всей толщине образцов, что делает его идеальным инструментом для такого исследования ».

Сеймур, который участвовал в этом исследовании в качестве доктора философии. Студент Массачусетского технологического института, а сейчас работает консультантом по проекту в инженерной фирме Simpson, Gumpertz & Heger, провел дополнительный анализ образцов.

«Каждый из инструментов, которые мы использовали, помогал понять процессы, происходящие в растворе», - говорит она. Сканирующая электронная микроскопия показала микроструктуры строительных блоков строительного раствора в микронном масштабе. Энергодисперсионная рентгеновская спектрометрия показала элементы, составляющие каждый из этих строительных блоков. «Эта информация позволяет нам быстро исследовать различные области строительного раствора и выбирать строительные блоки, связанные с нашими вопросами», - говорит она. Уловка, добавляет она, состоит в том, чтобы точно поразить одну и ту же цель из строительного блока каждым инструментом, когда эта цель составляет всего лишь волосок.

Почему бетон в гробнице Цецилии такой уникальный?

В толстых бетонных стенах гробницы Цецилии Метеллы раствор, содержащий вулканическую тефру из близлежащего пирокластического потока Пуццолан Росс (плотная масса горячей тефры и газов, выброшенных взрывом из близлежащего вулкана Албан-Хиллз) связывает большие куски кирпича и заполнителя лавы. Это почти тот же раствор, который использовался в стенах рынка Траяна 120 лет спустя.

В предыдущем анализе, Джексон, Тамура и их коллеги исследовали «клей» строительного раствора, строительный блок, названный фазой связывания CASH (кальций-алюмосиликат-гидрат), а также минерал под названием стрэтлингит. Кристаллы стрэтлингита блокируют распространение микротрещин в растворе, предотвращая их соединение и разрушение бетонной конструкции.

Но тефра, которую римляне использовали для раствора Caecilia Metella, была более богата калием лейцитом. Столетия дождевой и грунтовой воды, просачивающейся через стены гробницы, растворяли лейцит и высвобождали калий в раствор. В современном бетоне такой поток калия приведет к образованию экспансивных гелей, которые вызовут микротрещины и, в конечном итоге, растрескивание и ухудшение структуры.

Однако в могиле калий растворился и изменил конфигурацию фазы связывания CASH. Сеймур говорит, что методы микродифракции рентгеновских лучей и рамановской спектроскопии позволили им изучить, как изменился строительный раствор. «Мы видели домены CASH, которые остались нетронутыми спустя 2050 лет, а некоторые - расщепляющимися, тонкими или иным образом отличающимися по морфологии», - говорит она. В частности, микродифракция рентгеновских лучей позволила проанализировать тонкие домены вплоть до их атомной структуры. «Мы видим, что тонкие домены приобретают нанокристаллическую природу», - говорит она.

Реконструированные домены «очевидно создают надежные компоненты сцепления в бетоне», - говорит Джексон. В этих структурах, в отличие от Рынков Траяна, образуется гораздо меньше стратлингита.

Стефано Роашио, археолог, ответственный за гробницу, отмечает, что исследование имеет большое значение для понимания других древних и исторических бетонных структур, в которых используется агрегат Пуццолане Россе.

Адмир Масич, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института, говорит, что взаимодействие между заполнителями и строительным раствором любого бетона имеет фундаментальное значение для долговечности конструкции. В современном бетоне, говорит он, щелочно-кремнеземные реакции, которые образуют расширяющиеся гели, могут нарушить границы раздела даже самого твердого бетона.

«Оказывается, межфазные зоны в древнеримском бетоне гробницы Цецилии Метеллы постоянно развиваются в результате длительного ремонта», - говорит он. «Эти процессы ремоделирования усиливают межфазные зоны и потенциально способствуют улучшению механических характеристик и устойчивости древнего материала к разрушению».

Можем ли мы воссоздать этот эффект сегодня?

Джексон и ее коллеги работают над воспроизведением некоторых успехов римлян в современных бетонах, в частности, в проекте ARPA-e Министерства энергетики США, направленном на поощрение аналогичных выгодно реактивных агрегатов в бетонах, в которых вместо тефры древних используется искусственно созданная клеточная магматика. Римские постройки. Цель, согласно ARPA-e, состоит в том, чтобы бетон, подобный римскому, мог снизить выбросы энергии при производстве и установке бетона на 85% и в четыре раза увеличить 50-летний срок службы современного морского бетона.

«Сосредоточение внимания на разработке современных бетонов с постоянно усиливающимися межфазными зонами может дать нам еще одну стратегию повышения долговечности современных строительных материалов», - говорит Масич. «Выполнение этого за счет интеграции проверенной временем« римской мудрости »обеспечивает устойчивую стратегию, которая может на порядки увеличить долговечность наших современных решений».