Rimski beton

Napokon znamo kako je drevni rimski beton mogao trajati tisućama godina

Physics 01 February 2024 By Michelle Starr

Stari Rimljani bili su majstori građevine i inženjeringa, a možda ih najbolje predstavljaju akvadukti. A ta još uvijek funkcionalna čuda oslanjaju se na jedinstveni građevinski materijal: pucolanski (pozzolanic) beton, spektakularno izdržljiv beton koji je rimskim strukturama davao nevjerojatnu snagu.

Čak i danas, jedna od njihovih građevina – Panteon, još uvijek netaknut i star gotovo 2000 godina – drži rekord za najveću svjetsku kupolu od nearmiranog betona.

Svojstva ovog betona općenito se pripisuju njegovim sastojcima: pucolani, mješavini vulkanskog pepela – nazvanoj po talijanskom gradu Pozzuoli, gdje se može pronaći njegovo značajno ležište – i vapna. Kada se pomiješaju s vodom, dva materijala mogu reagirati i proizvesti jak beton.

No, kako se pokazalo, to nije cijela priča. Godine 2023. međunarodni tim istraživača predvođen Massachusetts Institute of Technology (MIT) otkrio je da ne samo da su materijali malo drugačiji od onoga što smo možda mislili, već su i tehnike korištene za njihovo miješanje također različite.

Puške koje su se dimile bile su mali, bijeli komadi vapna koji se mogu naći u nečemu što se čini inače dobro izmiješanim betonom. Prisutnost ovih komada prethodno se pripisivala lošem miješanju ili lošim materijalima, ali to nije imalo smisla znanstveniku za materijale Admiru Mašiću s MIT-a.
“Uvijek me mučila ideja da se prisutnost tih klasta vapna jednostavno pripisuje niskoj kontroli kvalitete”, rekao je Mašić još u siječnju 2023.

“Ako su Rimljani uložili toliko truda u izradu izvanrednog građevinskog materijala, slijedeći sve detaljne recepte koji su optimizirani tijekom mnogih stoljeća, zašto bi uložili tako malo truda da osiguraju proizvodnju dobro izmiješanog konačnog proizvoda ? Mora biti nešto više u ovoj priči.”

Mašić i tim, predvođen inženjerkom građevinarstva MIT-a Lindom Seymour, pažljivo su proučavali 2000 godina stare uzorke rimskog betona s arheološkog nalazišta Privernum u Italiji. Ovi su uzorci podvrgnuti skenirajućoj elektronskoj mikroskopiji velike površine i spektroskopiji X-zraka s disperzijom energije, difrakciji X-zraka na prahu i konfokalnom Ramanovom snimanju kako bi se bolje razumjeli klastiti vapna.

Jedno od pitanja na umu bila je priroda korištenog vapna. Standardno razumijevanje pucolanskog betona je da koristi gašeno vapno. Prvo, vapnenac se zagrijava na visokim temperaturama kako bi se proizveo visoko reaktivni kaustični prah koji se zove živo vapno ili kalcijev oksid.

Miješanjem živog vapna s vodom dobiva se gašeno vapno ili kalcijev hidroksid: malo manje reaktivna, manje kaustična pasta. Prema teoriji, upravo su to gašeno vapno stari Rimljani miješali s pucolanom.

Na temelju analize tima, klasti vapna u njihovim uzorcima nisu u skladu s ovom metodom. Umjesto toga, rimski beton je vjerojatno napravljen miješanjem živog vapna izravno s pucolanom i vodom na ekstremno visokim temperaturama, sam ili uz gašeno vapno, proces koji tim naziva “vruće miješanje” koji rezultira vapnenim klastima.

Prednosti toplog miješanja su dvojake, rekao je Mašić.

“Prvo, kada se cjelokupni beton zagrije na visoke temperature, to omogućuje kemijske reakcije koje nisu moguće ako ste koristili samo gašeno vapno, proizvodeći spojeve povezane s visokom temperaturom koji inače ne bi nastali. Drugo, ova povišena temperatura značajno smanjuje stvrdnjavanje i vezivanje puta jer su sve reakcije ubrzane, što omogućuje puno bržu konstrukciju.”

Ima još jednu korist: vapneni klasti betonu daju izvanredne sposobnosti samozacjeljivanja.

Kada se pukotine stvaraju u betonu, one prvenstveno putuju do vapnenih klasta, koji imaju veću površinu od ostalih čestica u matrici. Kada voda uđe u pukotinu, ona reagira s vapnom i stvara otopinu bogatu kalcijem koja se suši i stvrdnjava kao kalcijev karbonat, ponovno lijepi pukotinu i sprječava daljnje širenje.

To je primijećeno u betonu s drugog 2000 godina starog nalazišta, grobnice Caecilia Metella, gdje su pukotine u betonu ispunjene kalcitom. To bi također moglo objasniti zašto je rimski beton od morskih zidova izgrađenih prije 2000 godina preživio netaknut tisućljećima unatoč stalnom udaranju oceana.

Dakle, tim je testirao svoja otkrića praveći pucolanski beton prema starim i modernim receptima koristeći živo vapno. Također su napravili kontrolni beton bez živog vapna i izvršili testove na pukotine. Naravno, napuknuti beton od živog vapna potpuno je zacijelio unutar dva tjedna, ali je kontrolni beton ostao napuknut.

Tim sada radi na komercijalizaciji svog betona kao ekološki prihvatljivije alternative sadašnjim betonima.

“Uzbudljivo je razmišljati o tome kako bi ove izdržljivije betonske formulacije mogle produžiti ne samo životni vijek ovih materijala, već i kako bi to moglo poboljšati trajnost 3D printanih betonskih formulacija”, rekao je Mašić.

Istraživanje je objavljeno u časopisu Science Advances.

Verzija ovog članka prvi put je objavljena u siječnju 2023.