"Построено на века" - так обычно говорят о качественном сооружении. Прошли не века, а два тысячелетия, но Колизей и Пантеон стоят несокрушимо, пережив землетрясения, наводнения и войны. Как их создателям это удалось, в чем секрет и можем ли мы повторить их достижения?

Очутившись внутри гигантской чаши римского Колизея, легко представить ревущую толпу в пятьдесят с лишним тысяч человек, глазеющую на кровавые бои гладиаторов, гонки колесниц и пышные процессии.

Овал из скрепленных строительным раствором камней, известный также как амфитеатр Флавия, длиной 188 метров и высотой в четыре этажа, по сей день остается самым большим амфитеатром в мире. За его открытием в 80 году нашей эры последовали сто дней непрерывных представлений, в ходе которых на арене были убиты девять тысяч диких зверей.

Созданный спустя 40 лет Пантеон знаменит своим потрясающим куполом диаметром 43 метра. В его верхней точке находится круглое окошко под названием Oculus ("Глаз") - единственный источник света.

Название, восходящее к древнегреческим словам "все" и "боги", вроде бы говорит о религиозном предназначении, но часть историков полагает, что Пантеон был воздвигнут для возвеличивания императоров. И сегодня это крупнейший в мире неармированный бетонный купол.

Несомненно, древние римляне знали толк в грандиозном строительстве. Созданные почти две тысячи лет назад, два колоссальных и невероятно технически сложных сооружения стоят, пережив породившую их империю.

Они не поддались стихийным бедствиям, нашествиям варваров и войнам, олицетворяя собой непреходящее влияние Рима на мировую цивилизацию.

Но как удалось создать такие здания без современных технологий?

Изучая древнеримские постройки, современные инженеры и материаловеды пришли к выводу, что залогом необыкновенной прочности были гениальные конструкторские решения в сочетании с применением бетона, долговечного и одновременно пластичного материала, широко используемого в наши дни.

Римляне не изобрели бетон, но достигли небывалых высот в умении строить из него.

Заливка жидкого бетона в опалубку позволяла римским архитекторам получать любые конфигурации. Полет их фантазии ограничивался только техническими возможностями создания соответствующих деревянных форм. Но знаменитые арки, сводчатые потолки и купола не были лишь результатом игры воображения.

Высшие достижения римской имперской архитектуры - плод сложнейших инженерных расчетов. "Они умели выполнять такие расчеты и воплощать их в жизнь с исключительной точностью", - говорит Ренато Перуччио, строительный эксперт из университета Рочестера в Нью-Йорке.

Состав бетона также был уникальным и тщательно продуманным. Римский бетон отличался от современного и, благодаря входившим в него ингредиентам, обладал феноменальной устойчивостью к внешним воздействиям.

В наши дни бетон делается в основном на основе портландцемента, состоящего из богатого кремнием песка, известняка, глины, мела и других минералов, который нагревают при температуре до 2000 градусов и превращают в мелкий порошок, и наполнителя - каменных частиц величиной от песчинки до мелкой гальки. Использование наполнителя делает бетон прочным и позволяет экономить цемент.

В смесь цемента и наполнителя добавляют воду, и в ходе реакции, известной в просторечии как схватывание, бетон превращается в однородную твердую массу.

Наполнитель подбирается таким образом, чтобы он был максимально химически инертным. Идея состоит в том, чтобы в дальнейшем в бетоне не возникало никаких реакций, которые ведут к появлению трещин и снижают его прочность.

Римский бетон делался из негашеной извести и наполнителя из камней вулканического происхождения, в изобилии имевшихся в окрестностях Вечного города. В отличие от современных наполнителей, эти вулканические минералы были химически активными, и процессы в бетоне после его затвердения шли еще несколько сотен лет.

"Портландцементы не должны менять состав, а если такое случается, это всегда плохо, - говорит геолог из университета штата Юта Мэри Джексон, занимавшаяся изучением древнеримского бетона несколько десятков лет. - Римляне, напротив, хотели, чтобы в их бетоне шли реакции, и выбирали соответствующие наполнители".

В результате древнеримский бетон со временем становился только крепче. Благодаря длительным химическим процессам мелкие трещины, образующиеся в местах соприкосновения цемента с кусочками наполнителя, не расширялись, а сами собой заделывались.

Именно эта способность к самовосстановлению, возникавшая благодаря активным вулканическим минералам, придает древнеримским постройкам исключительную долговечность.

"Сегодня мы умеем производить бетон с большей прочностью на растяжение, и что из этого? - говорит Ренато Перуччио. - Современные сооружения из бетона рассчитаны на сто лет, и то если их подновлять, а римские стоят тысячу лет и больше безо всякого вмешательства".

Исследователи давно предполагали, что римские здания обязаны своей долговечностью вулканическим минералам. Но лишь в 2014 году Мэри Джексон и ее коллеги установили химическую природу явления.

Они изготовили бетон по рецептам, применявшимся в ходе строительства знаменитого рынка Траяна и наблюдали за ростом плоских кристаллов из вещества под названием штрётлингит в местах соприкосновения цемента с кусочками наполнителя.

Они выяснили, что эти кристаллы укрепляли бетон в самых слабых точках и препятствовали возникновению трещин.

Новая работа Джексон, опубликованная осенью 2021 года, свидетельствует о том, что кристаллический штрётлингит был не единственным продуктом химических реакций, повышавшим прочность бетона.

Ученая и ее команда изучили образец бетона из 21-метрового цилиндрического обелиска, воздвигнутого рядом с Аппиевой дорогой около 30 года до нашей эры над могилой знатной римлянки по имени Цецилия Метелла. Оказалось, что наполнитель состоял из богатого калием вулканического минерала лейцита.

За две с лишним тысячи лет дожди и грунтовые воды размыли лейцит, и калий высвободился. Современный бетон от этого пошел бы трещинами и разрушился.

Но, как установила Джексон, в случае с древнеримским бетоном результат был обратным. Калий изменил состав скреплявшего его "клея" и придал ему дополнительную прочность, хотя штретлингита в нем содержалось значительно меньше, чем в бетоне с рынка Траяна.

По словам участницы исследования Линды Сеймур из Массачусетского технологического института, "эти сооружения имели разный состав, в них шли различные процессы, но разнообразие использовавшихся римлянами наполнителей в конечном счете вело к одному - повышению долговечности".

Вероятно, не все варианты работали одинаково хорошо, но в случаях с Колизеем и Пантеоном римские строители, несомненно, достигли успеха.

Колизей был построен в основном не из бетона, а из глыб травертинского известняка, но и бетон сыграл важную роль. Его главный вклад в сохранность прославленных арок не виден невооруженным глазом.

"Туристу этого не разглядеть, но главное объяснение, почему Колизей стоит по сей день, состоит в том, что он возвышается на бетонном фундаменте исключительной прочности", - объясняет Мэри Джексон.

Глубина фундамента Колизея составляет целых 12 метров. В качестве наполнителя использовались крупные обломки застывшей лавы. Без такого основания Колизей был бы разрушен неоднократными землетрясениями.

Ни одна поездка в Рим не обходится без посещения Колизея, но для тех, кто особенно интересуется античной архитектурой и ролью в ней бетона, объектом № 1 является Пантеон, говорит Ренато Перуччио.

Диаметр купола и высота от пола ротонды до верхней точки составляют те же 43 метра, так что внутри Пантеона можно было бы разместить огромный идеальной формы шар.

Говоря о куполе Пантеона, ключевое слово здесь - "неармированный". По мнению Ренато Перуччио, если бы современный архитектор захотел возвести такой купол, ему бы не разрешили, поскольку все строительные нормативы требуют закладывать в бетон стальные балки.

"Купол испытывает очень сильное напряжение на разрыв, но стоит 19 веков, - говорит Перуччио. - Тут два варианта: либо закон всемирного тяготения тогда действовал по-другому, либо они располагали каким-то утраченным ныне знанием".

Помимо уникального химического состава бетона, римские архитекторы использовали множество разных приемов. Два из них были направлены на то, чтобы сделать стены сооружения максимально легкими.

В ходе строительства жидкий бетон для сферического купола поднимали на леса и заливали в деревянные формы, представлявшие из себя постепенно сходящиеся к центру круги. Чтобы снизить колоссальную нагрузку, по мере приближения к нему в качестве наполнителя использовались более легкие породы, а боковые стены делали максимально тонкими.

Ближе к основанию купола толщина его стенок достигает шести метров. Для прочности в них закладывались тяжелые базальтовые глыбы. Вокруг "Глаза" толщина уменьшается до двух метров, а роль наполнителя выполняет пористая вулканическая пемза, настолько легкая, что плавает в воде.

Второй трюк состоит в выдолбленных в потолке прямоугольниках, известных как "сундуки". Резной орнамент выглядит завораживающе, но дело не только в эстетике.

Они также снизили количество пошедшего на купол бетона и облегчили его.

"Пантеон - волшебное место, - говорит Перуччио. - Я был в нем бессчетное количество раз, и меня всегда переполняет восхищение мастерством архитекторов и инженеров. Думаю, это одно из самых выдающихся и прекрасных сооружений в истории".

Участник исследования 2021 года, материаловед из Массачусетского технологического института Адмир Масик в своей книге назвал Пантеон "триумфом бетона".

Исследователь указывает на еще одно обстоятельство. Сегодняшний бетон несет человечеству много прекрасного и полезного, но производство портландцемента для его изготовления дает порядка 8% мирового объема выбросов парниковых газов.

Масик и Джексон изучают древнеримский бетон с целью сделать его современные аналоги более экологически чистыми. По словам Масика, основное преимущество античного бетона в том, что его связывающий компонент на основе негашеной извести требовалось нагревать до 900 градусов, а портландцемент - минимум до 1450.

Использование старинной технологии позволило бы сжигать меньше топлива, а долговечность сооружений из древнеримского бетона - реже заменять их.

"Представьте себе, что мы вносим в каждый проект способность бетона восстанавливаться, и вся наша инфраструктура служит не сто, а пятьсот лет, - говорит Масик. - Это проблема всей современной экономики. Производить более долговечные вещи - простейший способ беречь окружающую среду".

Мэри Джексон и ее сотрудники участвуют в проекте американского министерства энергетики ARPA-e, задача которого - научиться делать бетон по древнеримским рецептам, сократить вредные выбросы в процессе его изготовления на 85% и повысить срок эксплуатации сооружений в четыре раза.

Основные препятствия - долгий срок затвердевания римского бетона (полгода против месяца сейчас) и примерно в 10 раз меньшая прочность, что делает его непригодным для некоторых современных построек.

Но Масик утверждает, что химические реакции можно ускорить. Он работает над технологией впрыскивания в римский бетон двуокиси углерода, что может сократить время его приготовления до нескольких суток.

"Не надо в точности копировать то, что делали древние римляне, но кое-чему у них следует поучиться", - говорит он.