Starożytni Rzymianie byli mistrzami budownictwa i inżynierii, czego być może najbardziej reprezentowali akwedukty. Te wciąż funkcjonujące cuda opierają się na unikalnym materiale budowlanym: betonie pucolanowym, niezwykle trwałym betonie, który nadał rzymskim budowlom niesamowitą wytrzymałość.
Nawet dzisiaj jeden z ich budynków – Panteon, wciąż nienaruszony i mający prawie 2000 lat – jest rekordzistą pod względem największej na świecie kopuły z niezbrojonego betonu.
Właściwości tego betonu przypisuje się zazwyczaj jego składnikom: pucolanie, mieszaninie popiołu wulkanicznego – nazwanej na cześć włoskiego miasta Pozzuoli, gdzie występują jego duże złoża – oraz Limonka. Po zmieszaniu z wodą oba materiały mogą reagować, tworząc mocny beton.
Jednak, jak się okazuje, to nie cała historia. W 2023 roku międzynarodowy zespół badaczy pod kierownictwem Massachusetts Institute of Technology (MIT) odkrył, że nie tylko materiały różniły się nieco od sądzonych, ale także techniki stosowane do ich mieszania były inne.
Dymiące pistolety to małe, białe kawałki wapna, które można było znaleźć w czymś, co wyglądało na dobrze wymieszany beton. Obecność tych fragmentów przypisywano wcześniej złemu wymieszaniu lub złym materiałom, ale dla naukowca zajmującego się materiałami, Admira Maska z MIT, nie miało to sensu.
„Zawsze niepokoiła mnie myśl, że obecność bloków wapiennych wynika po prostu ze złej kontroli jakości”. – powiedział Maćek Jeszcze w styczniu 2023 r.
„Skoro Rzymianie włożyli tyle wysiłku w wytworzenie najwyższej jakości materiału budowlanego, stosując się do wszystkich szczegółowych receptur udoskonalanych przez wiele stuleci, dlaczego tak mało wysiłku włożyli w zapewnienie dobrze wymieszanego produktu końcowego? Musi być więcej do tej historii.”
Macek i zespół kierowany przez inżynier budownictwa z MIT Lindę Seymour zbadali próbki rzymskiego betonu sprzed 2000 lat ze stanowiska archeologicznego Perevernum we Włoszech. Próbki te poddano wielkopowierzchniowej skaningowej mikroskopii elektronowej, spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii, proszkowej dyfrakcji promieni rentgenowskich i konfokalnemu obrazowaniu Ramana, aby lepiej poznać masy wapienne.
Jedno z pytań, które przychodziło mi do głowy, dotyczyło rodzaju użytego wapna. Standardowe rozumienie betonu pucolanowego jest takie, że jest on używany Wapno hydratyzowane. Najpierw wapień podgrzewa się w wysokich temperaturach, aby wytworzyć wysoce reaktywny żrący proszek zwany wapieniem Wapno paloneAlbo tlenek wapnia.
Zmieszanie wapna palonego z wodą daje wapno gaszone lub wodorotlenek wapnia: mniej reaktywną i mniej żrącą pastę. Według teorii to właśnie to wapno hydratyzowane starożytni Rzymianie mieszali z pucolaną.
Z analizy zespołu wynika, że bloki wapienia znalezione w ich próbkach nie były zgodne z tą metodą. Alternatywnie beton rzymski można było wytwarzać przez zmieszanie wapna palonego bezpośrednio z pucolaną i wodą w bardzo wysokich temperaturach, samodzielnie lub w dodatku do wapna hydratyzowanego. Jest to proces, który zespół nazywa „mieszaniem na gorąco”, w wyniku którego powstają okruchy wapna.
„Korzyści z mieszania na gorąco są dwojakie”. – powiedział Maćek.
„Po pierwsze, gdy beton kruszywowy jest podgrzewany do wysokich temperatur, zachodzą reakcje chemiczne, które nie są możliwe przy użyciu wyłącznie wapna hydratyzowanego, tworząc w ten sposób wysokotemperaturowe związki wiążące, które w przeciwnym razie nie mogłyby powstać. Po drugie, ta podwyższona temperatura radykalnie zmniejsza utwardzanie i czas utwardzania, ponieważ wszystkie reakcje są przyspieszone, co pozwala na znacznie szybszą konstrukcję.
Ma jeszcze jedną zaletę: okruchy wapna nadają betonowi niezwykłą zdolność do samoleczenia.
Kiedy w betonie tworzą się pęknięcia, preferują one przemieszczanie się do bloków wapiennych, które mają większą powierzchnię niż inne cząstki w matrycy. Gdy woda dostanie się do pęknięcia, reaguje z wapnem, tworząc roztwór bogaty w wapń, który wysycha i twardnieje jak węglan wapnia, sklejając pęknięcie i zapobiegając jego dalszemu rozprzestrzenianiu się.
Ten Zostało to zauważone W betonie z innego miejsca sprzed 2000 lat, grobowca Cecylii Metelli, gdzie pęknięcia w betonie wypełniono kalcytem. Może to również wyjaśniać, dlaczego rzymski beton z falochronów zbudowanych 2000 lat temu pozostał nienaruszony przez tysiące lat pomimo ciągłego walenia oceanów.
Zespół przetestował więc swoje odkrycia, wytwarzając beton pucolanowy według starożytnych i współczesnych receptur, używając wapna palonego. Wykonali także beton kontrolny bez wapna palonego i przeprowadzili badania pękania. Rzeczywiście, spękany beton wapienny został całkowicie utwardzony w ciągu dwóch tygodni, ale beton kontrolny pozostał popękany.
Zespół pracuje obecnie nad wprowadzeniem na rynek swojego betonu jako bardziej przyjaznej dla środowiska alternatywy dla obecnego betonu.
„Ekscytujące jest myślenie o tym, jak bardziej trwałe kompozycje betonowe mogą wydłużyć nie tylko żywotność tych materiałów, ale także jak mogą poprawić trwałość kompozycji betonowych drukowanych w 3D”. – powiedział Maćek.
Badanie zostało opublikowane w Postęp nauki.
Wersja tego artykułu została po raz pierwszy opublikowana w styczniu 2023 r.