Tajemnica trwałości rzymskiego betonu. Naukowcy rozwikłali zagadkę starożytnych budowniczych

Wiele dróg, akweduktów, nabrzeży portowych czy masywnych budowli wybudowanych w starożytnym Rzymie z użyciem betonu przetrwało do czasów współczesnych w całkiem dobrej kondycji - niektóre akwedukty nadal dostarczają wodę do Rzymu.

Najsłynniejszym przykładem jest rzymski Panteon: jego oddana do użytku w 128 r. n.e. kopuła - największy taki obiekt z betonu niezbrojonego na świecie - jest nadal nienaruszona.

Tymczasem wiele nowoczesnych konstrukcji betonowych rozpadło się już kilkudziesięciu latach eksploatacji.

Tajemnicze klasty wapienne

Przez wiele lat zakładano, że kluczowym składnikiem wyjątkowego rzymskiego betonu jest pucolana – drobny popiół pochodzenia wulkanicznego z okolic Pozzuoli nad Zatoką Neapolitańską (podobne właściwości ma popiół odzyskiwanym ze spalin w elektrociepłowniach). Głównym składnikiem pucolany jest czysta krzemionka w postaci bardzo drobnych zaokrąglonych ziaren.

REKLAMA

Ważną cechą tej drobnoziarnistej krzemionki jest zdolność do wiązania wapnia. Popiół z Pozzuoli był transportowany jako materiał budowlany po całym imperium rzymskim. W relacjach architektów i historyków z epoki został opisany jako kluczowy składnik betonu.

Teraz zespołowi naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT), Harvard University oraz laboratoriów we Włoszech i Szwajcarii udało się odkryć zdolność starożytnego betonu do samoregeneracji.

Starożytne próbki betonu zawierają charakterystyczne jasnobiałe cząstki mineralne o wielkości liczonej w milimetrach. Te białe bryłki określane są jako "klasty wapienne" (clast to angielski termin, oznaczający w geologii fragment starej skały, który wszedł w skład nowej skały). Białe klasty powstają z wapna, innego kluczowego składnika starożytnej mieszanki betonowej.

Wcześniej klasty wapienne były lekceważone jako uboczny skutek niedbałego mieszania masy betonowej lub niskiej jakości surowców. Jednak nowe badanie sugeruje, że te małe okruchy wapienne nadają betonowi zdolność “samoleczenia”, której wcześniej nie dostrzegano.

REKLAMA

Aby wyjaśnić, co to jest, naukowcy wykorzystali wieloskalowe obrazowanie o wysokiej rozdzielczości i techniki mapowania chemicznego, których pionierem było laboratorium badawcze Masica.

Reaktywne źródło wapnia

Okazało się, że białe inkluzje to w rzeczywistości różne formy węglanu wapnia. Badanie spektroskopowe sugerowało, że powstały one w ekstremalnych temperaturach, najprawdopodobniej w reakcji egzotermicznej wywołanej użyciem wapna palonego zamiast lub oprócz wapna gaszonego w mieszance. Naukowcy doszli do wniosku, że mieszanie na gorąco było w rzeczywistości kluczem do supertrwałości.

- Korzyści z mieszania na gorąco są dwojakie - mówi prof. Admir Masic z MIT. - Po pierwsze, gdy cały beton jest podgrzewany do wysokich temperatur, pozwala to na reakcje chemiczne, jakie nie byłyby możliwe, gdyby użyto tylko wapna gaszonego. W wysokiej temperaturze powstają związki, które inaczej by się nie utworzyły. Po drugie, ta podwyższona temperatura znacznie skraca czas utwardzania i wiązania: wszystkie reakcje są przyspieszane, co pozwala budować znacznie szybciej.

Powstające podczas mieszania na gorąco klasty wapienne tworzą kruche struktury które łatwo pękają, będąc mającym dużą powierzchnię względem wielkości reaktywnym źródłem wapnia. Zdaniem autorów analizy może to zapewnić betonowi funkcję "samoleczenia".

REKLAMA

Gdy tylko w betonie zaczną tworzyć się drobne pęknięcia, zwykle przechodzą one przez przez skupiska wapienne. Materiał ten reaguje następnie z wodą, tworząc roztwór nasycony wapniem, który może rekrystalizować jako węglan wapnia i szybko wypełniać pęknięcie lub reagować z pucolaną, wzmacniając materiał.

Reakcje te zachodzą spontanicznie i dlatego automatycznie leczą pęknięcia, zanim się rozprzestrzenią. Wcześniej w innych rzymskich próbkach betonu zaobserwowano pęknięcia wypełnione kalcytem.

Pęknięcia całkowicie się "zagoiły"

Podczas eksperymentów zespół stworzył próbki betonu mieszanego na gorąco, zarówno według starożytnej, jak i współczesnej receptury, doprowadził do ich popękania, a następnie przez pęknięcia przepuścił wodę. W ciągu dwóch tygodni pęknięcia całkowicie się "zagoiły" i woda nie mogła już przepływać. Identyczny kawałek betonu wykonany bez udziału wapna palonego nigdy się "nie zagoił", a woda wciąż przepływała przez próbkę. Teraz autorzy pracują nad komercjalizacją zmodyfikowanego cementu.

Zadaniem naukowca dzięki wydłużeniu żywotności i opracowaniu lżejszych form betonowych można zmniejszyć wpływ produkcji cementu na środowisko (obecnie odpowiada za około 8 proc. globalnej emisji gazów cieplarnianych). W laboratorium Masica trwają też prace nad innymi nowymi produktami, na przykład betonem, który może pochłaniać dwutlenek węgla z powietrza.

REKLAMA

PR24.pl, IAR, PAP, DoS