Starożytni Rzymianie byli mistrzami budowniczymi i inżynierami, z których być może najbardziej znanym jest przedstawienie wciąż funkcjonujących akweduktów. A te architektoniczne cuda opierają się na wyjątkowym materiale budowlanym: betonie pucolanowym, niezwykle trwałym materiale, który nadał rzymskim budowlom niesamowitą wytrzymałość.
Nawet dzisiaj jedna z ich budowli – Panteon, który jest wciąż nienaruszony i ma prawie 2000 lat – jest rekordzistą pod względem największej na świecie kopuły z niezbrojonego betonu.
Właściwości tego betonu są generalnie przypisywane jego składnikom: pucolanie, mieszaninie popiołu wulkanicznego – nazwanej na cześć włoskiego miasta Pozzuoli, gdzie znajdują się jego duże złoża – oraz bieg. Po zmieszaniu z wodą te dwa materiały mogą reagować, tworząc mocny beton.
Ale to, jak się okazuje, nie jest cała historia. Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Massachusetts Institute of Technology (MIT) odkrył, że nie tylko materiały były trochę inne, niż mogłoby się wydawać, ale także techniki ich mieszania były inne.
Pistolety dymne były małymi białymi kawałkami wapna, które można było znaleźć w czymś, co wyglądało na dobrze wymieszany beton. Obecność tych kawałków była wcześniej przypisywana słabemu wymieszaniu lub materiałom, ale dla naukowca zajmującego się materiałami, Admira Masica z MIT, nie miało to sensu.
„Pogląd, że obecność tych grudek wapienia można po prostu przypisać złej kontroli jakości, zawsze mnie niepokoił” – mówi. Masic powiedział w oświadczeniu wydanym w styczniu 2023 r.
„Skoro Rzymianie włożyli tyle wysiłku w stworzenie wysokiej jakości materiału budowlanego, stosując wszystkie szczegółowe receptury, które były udoskonalane przez wiele wieków, dlaczego tak mało wysiłku, aby zapewnić dobrze wymieszany produkt końcowy? W tej historii musi być coś więcej”.
Musk i zespół kierowany przez Lindę Seymour, inżynier budownictwa lądowego z MIT, dokładnie zbadali 2000-letnie próbki rzymskiego betonu ze stanowiska archeologicznego Privernum we Włoszech. Próbki te poddano skaningowej mikroskopii elektronowej o dużej powierzchni, spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii, proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej i konfokalnemu obrazowaniu ramanowskiemu, aby lepiej zrozumieć masy wapienne.
Jednym z pytań do rozważenia był rodzaj użytego wapna. Standardowe rozumienie betonu pucolanowego jest takie, że jest on używany wapno gaszone. Po pierwsze, wapień jest podgrzewany w wysokich temperaturach w celu wytworzenia wysoce reaktywnego proszku żrącego, tzw wapno palonelub tlenek wapnia.
Mieszanie wapna palonego z wodą daje wapno gaszone lub wodorotlenek wapnia: mniej reaktywną i mniej żrącą pastę. Według teorii właśnie to wapno gaszone starożytni Rzymianie mieszali z pucolaną.
Na podstawie analizy przeprowadzonej przez zespół frakcje wapienne w ich próbkach nie są zgodne z tą metodą. Alternatywnie, rzymski beton mógł powstać przez zmieszanie wapna palonego bezpośrednio z pucolaną i wodą w bardzo wysokich temperaturach, samodzielnie lub z dodatkiem wapna gaszonego, proces, który zespół nazywa „mieszaniem na gorąco”, który prowadzi do tworzenia się wapna.
„Korzyści z mieszania na gorąco są dwojakie” — mówi. — powiedział Musk.
„Po pierwsze, gdy beton z kruszywem jest podgrzewany do wysokich temperatur, pozwala na chemię, która nie byłaby możliwa, gdyby zastosowano tylko wapno hydratyzowane, w wyniku czego powstają związki związane w wysokiej temperaturze, które inaczej by się nie utworzyły. Po drugie, ta podwyższona temperatura znacznie skraca czas utwardzania i wiązania” as Wszystkie reakcje są przyspieszone, co pozwala na znacznie szybszą budowę.”
Kolejna zaleta: wapno ma niezwykłą zdolność do samoleczenia.
Kiedy w betonie tworzą się pęknięcia, preferencyjnie przechodzą one do bloków wapiennych, które mają większą powierzchnię niż inne cząstki w osnowie. Kiedy woda dostaje się do pęknięcia, reaguje z wapnem, tworząc bogaty w wapń roztwór, który wysycha i twardnieje jako węglan wapnia, sklejając pęknięcia i zapobiegając ich dalszemu rozprzestrzenianiu się.
Ten Zostało to zauważone W betonie z innego miejsca sprzed 2000 lat, grobowca Caecilii Metelli, gdzie pęknięcia w betonie zostały wypełnione kalcytem. Może to również wyjaśniać, dlaczego rzymski beton ze ścian morskich zbudowanych 2000 lat temu pozostał nienaruszony przez tysiące lat pomimo nieustannego bicia oceanu.
Zespół przetestował więc swoje odkrycia, wytwarzając beton pucolanowy ze starożytnych i współczesnych receptur przy użyciu wapna niegaszonego. Wykonali również beton kontrolny bez wapna palonego i przeprowadzili badania pęknięć. Rzeczywiście spękany beton wapienny został całkowicie utwardzony w ciągu dwóch tygodni, ale beton pozostał spękany.
Zespół pracuje teraz nad wprowadzeniem na rynek swojego betonu jako bardziej przyjaznej dla środowiska alternatywy dla istniejącego betonu.
„To ekscytujące zastanawiać się, w jaki sposób te trwalsze konstrukcje betonowe mogą nie tylko wydłużyć żywotność tych materiałów, ale także w jaki sposób mogą poprawić trwałość konstrukcji betonowych wydrukowanych w 3D” — powiedział Musk.
Badania opublikowane w Postęp nauki.
Wersja tego artykułu została opublikowana po raz pierwszy w styczniu 2023 r.
