Grobowiec szlachetnej damy odkrywa nowe tajemnice starożytnego betonu w starożytnym Rzymie

Wśród wielu słynnych miejsc turystycznych w Rzymie znajduje się imponujące 2000-letnie mauzoleum wzdłuż Via Appia, znane jako Grób Cecylii Metelli, szlachcic mieszkał w I wieku naszej ery. Lord Byron był jednym z tych, którzy zachwycali się Świątynią, nawet nawiązując do niej w swoim poemacie epickim Pielgrzymka dziecka Harolda (1812-1818). Naukowcy przeanalizowali teraz próbki starożytnego betonu użyte do budowy grobowca i opisali swoje odkrycia w opublikował artykuł w październiku w Journal of the American Ceramic Society.

„Budowa tego innowacyjnego i bardzo potężnego pomnika i punktu orientacyjnego na Via Appia Antica wskazuje, że [Caecilia Metella] Był bardzo szanowany” Współautorka Mary Jackson powiedziała:, geofizyk in Uniwersytet w Utah. „Konsystencja betonu po 2050 roku odzwierciedla silną i prężną obecność”.

jak dzisiaj cement portlandzki (niezbędny składnik współczesnego betonu), stary beton rzymski Była to w zasadzie mieszanina półpłynnej gnojowicy i kruszywa. Cement portlandzki jest zwykle wytwarzany przez ogrzewanie wapienia i gliny (a także piaskowca, popiołu, kredy i żelaza) w piecu. Powstały klinkier jest następnie mielony na drobny proszek, dodając jedynie odrobinę gipsu – im wyższy, tym lepiej uzyskać gładką, płaską powierzchnię. Ale kruszywo używane do produkcji rzymskiego betonu było kawałkami kamienia lub cegieł wielkości pięści

w jego tezie architektura (ok. 30 AD), rzymski architekt i inżynier Witruwiusz Pisał o tym, jak budować betonowe mury dla budowli grobowych, które mogłyby przetrwać długo bez popadania w ruinę. Zalecił, aby ściany miały co najmniej dwie stopy grubości, wykonane albo z „kwadratowego czerwonego kamienia, albo z cegły lub lawy ułożonej warstwami”. Kruszywa cegieł lub skał magmowych muszą być połączone za pomocą zawiesiny składającej się z wapna gaszonego oraz porowatych fragmentów szkła i kryształów z erupcji wulkanicznych (tzw. tefra wulkaniczna).

Jackson od wielu lat badał niezwykłe właściwości starożytnego rzymskiego betonu. Na przykład ona i wielu kolegów przeanalizowałem Zaprawa użyta w betonie, z którego się składa Rynki Trajana, wybudowany w latach 100-110 n.e. (prawdopodobnie najstarsze centrum handlowe na świecie). Szczególnie zainteresował ich „klej” zastosowany w fazie wiązania materiału: hydrat krzemianu wapniowo-glinowego (CASH), wzmocniony kryształami Włóczęga. Odkryli, że kryształy strattlegate zapobiegały tworzeniu się i rozprzestrzenianiu mikropęknięć w gnojowicy, co może prowadzić do większych pęknięć w strukturach.

W 2017 roku Jackson był współautorem papier Analiza betonowej formy ruin falochronów wzdłuż śródziemnomorskiego wybrzeża Włoch, które od dwóch tysięcy lat wytrzymują surowe środowisko morskie. Nieustanne fale słonej wody uderzające w mury dawno temu zamieniłyby nowoczesne betonowe mury w ruiny, ale rzymskie mury morskie wydają się w rzeczywistości wzmocnić.

Jackson i jej koledzy odkryli, że sekretem jego długowieczności była specjalna receptura, zawierająca mieszankę rzadkich kryształów i porowatego metalu. W szczególności wystawienie na działanie wody morskiej wywołało reakcje chemiczne w betonie, powodując tworzenie się kryształów tobermorytu aluminiowego z fililipytu, pospolitego minerału występującego w popiele wulkanicznym. Kryształy są przymocowane do skały, co ponownie zapobiega powstawaniu i rozprzestrzenianiu się pęknięć, które osłabiłyby konstrukcje.

Dlatego Jackson był naturalnie zafascynowany Caecilia Metella, która jest powszechnie uważana za jeden z najlepiej zachowanych zabytków na Via Appia. Jackson odwiedziła cmentarz w czerwcu 2006 roku, kiedy pobrała małe próbki zaprawy do analizy. Choć dzień jej wizyty był bardzo ciepły, wspomina, że ​​gdy tylko weszła do korytarza świątyni, powietrze było wyjątkowo zimne i wilgotne. „Było bardzo spokojnie, z wyjątkiem trzepotania gołębia w otwartym środku okrągłej struktury” Jackson powiedział.

Prawie nic nie wiadomo o lady Cecylii Metelli, szlachciance, której szczątki pochowano w grobie, poza tym, że była córką rzymskiego konsula, Kwintus Cecyliusz Metellus Creticus. ożenić się Marek Licyniusz Krassus, ojciec (o tej samej nazwie) był częścią pierwsza trójka, z Juliusz Cezar i Pompeje Wielkie. To był prawdopodobnie jej syn – również o imieniu Marek Licyniusz Krassus, Dlaczego historykom łatwo jest prześledzić rodowód? – który zlecił budowę sanktuarium, które prawdopodobnie powstawało sporadycznie między 30 a 10 rokiem p.n.e.

Marmurowy sarkofag w Palazzo Farnese ma pochodzić z grobowca Cecylii Metelli, ale może nie pochodzić od szlachty, ponieważ pochodzi z lat 180-1990. Poza tym kremacja była jedną z najczęstszych tradycji pogrzebowych w chwili śmierci kobiety, dlatego historycy uważają, że grobowiec Silla mógł kiedyś zawierać urnę pogrzebową, a nie jakiś kamienny sarkofag.

Sama konstrukcja grobowca jest najbardziej interesująca dla uczonych, takich jak Jackson i jej współpracownicy. Kapliczka znajduje się na szczycie wzgórza. Na kwadratowym podeście znajduje się cylindryczna rotunda, z tyłu zamku, który został zbudowany w XIV wieku. Na zewnątrz widnieje tablica z napisem: „Cecylii Metelli, córce Quintusa Creticusa [and wife] Krassus”.

Fundament jest na nim częściowo zbudowany tufowy kamień (popiół wulkaniczny, który został skompresowany pod ciśnieniem) i skały lawy ze starożytnego strumienia, który kiedyś pokrywał obszar około 260 000 lat temu. Zarówno platforma, jak i rotunda składają się z kilku warstw grubego betonu, otoczonych wapiennymi blokami jako szkieletem, podczas gdy warstwy betonu formują się i zestalają. Ściany wieży mają 24 stopy grubości. Pierwotnie na szczycie znajdował się stożkowaty kopiec ziemny, ale później został on zastąpiony średniowiecznymi murami obronnymi.

Aby bliżej przyjrzeć się mikrostrukturze zaprawy, Jackson połączył siły z kolegami z MIT Lindą Seymour i Admirem Maskiem, a także Nobumichi Tamura z Lawrence Berkeley Lab. Tamura przeanalizowała próbki w zaawansowane źródło światła, co pomogło im zidentyfikować i ukierunkować wiele różnych minerałów obecnych w próbkach. Linia wiązki ALS wytwarza silne promienie rentgenowskie o rozmiarach mikronowych, które mogą przeniknąć przez całą grubość próbek do Tamury. Zespół wykonał również obrazowanie próbek za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.

Odkryli, że zaprawa grobowa jest podobna do tej stosowanej w ścianach grobu Rynki Trajana: tefra wulkaniczna z Pozzolane Rosse lawa, strumień lawy, łączy ze sobą duże kawałki cegły i lawy. Jednak tefra stosowana w gnojowicy zawiera dużo bogatego w potas leucytu. Przez wieki woda deszczowa i gruntowa przesączała się przez ściany grobowca, rozpuszczając leucyt i uwalniając potas. Byłaby to katastrofa w nowoczesnym betonie, powodująca mikropęknięcia i poważne pogorszenie konstrukcji.

Oczywiście nie stało się to z grobem. ale dlaczego? Jackson i inni. Stwierdził, że potas w zaprawie rozpuszczał się z kolei i skutecznie odtwarzał fazę wiążącą CASH. Niektóre części pozostały nienaruszone nawet po ponad 2000 lat, podczas gdy inne wyglądały na bardziej miękkie i wykazywały pewne oznaki rozszczepienia. W rzeczywistości struktura jest nieco podobna do nanokryształów.

„Okazuje się, że warstwy pośrednie w starożytnym rzymskim betonie nekropolii Caecilia Metella nieustannie ewoluują poprzez długotrwałą rekonstrukcję” Maska powiedział. „Te rekonstrukcje wzmacniają regiony międzyfazowe i prawdopodobnie przyczynią się do poprawy wydajności mechanicznej i odporności na uszkodzenia starszych materiałów”.

Im więcej naukowcy dowiedzieli się o dokładnym składzie minerałów i związków stosowanych w betonie rzymskim, tym bliżej byliby możliwości odtworzenia tych właściwości w dzisiejszym betonie – na przykład znalezienia odpowiedniego substytutu (takiego jak popiół lotny z węgla) dla niezwykle rzadkie skały magmowe używane przez Rzymian. Może to zmniejszyć emisje energii podczas produkcji betonu nawet o 85 procent i znacznie poprawić żywotność nowoczesnych konstrukcji betonowych.

„Koncentracja na projektowaniu nowoczesnego betonu ze stale wzmacnianymi przekładkami może zapewnić nam kolejną strategię poprawy trwałości nowoczesnych materiałów budowlanych” Maska powiedział. „Prowadzenie tego poprzez włączenie sprawdzonej w czasie „mądrości rzymskiej” zapewnia zrównoważoną strategię, która poprawi ciągłość naszych nowoczesnych rozwiązań o rzędy wielkości”.

DOI: Journal of the American Ceramic Society, 2021. 10.1111 / Jess .18133 (O DOI).