Kako je beton Rimljanov tako obstojen?

Old road from roman ages. Sardinia, Italy
Foto: Andrey Kalashnikov iz iStock

Stari Rimljani so bili mojstri inženirstva, saj so zgradili obsežna omrežja cest, akvaduktov, pristanišč in ogromnih stavb, katerih ostanki so se ohranili že dve tisočletji. Veliko teh struktur je bilo zgrajenih iz betona: Rimski Panteon, ki ima največjo nearmirano betonsko kupolo na svetu in je bil posvečen leta 128 n. št., je še vedno nedotaknjen, nekateri starorimski akvadukti pa še danes oskrbujejo Rim z vodo. Medtem pa so se številne sodobne betonske strukture po nekaj desetletjih porušile.

Raziskovalci so desetletja poskušali odkriti skrivnost tega izjemno vzdržljivega starodavnega gradbenega materiala, zlasti v konstrukcijah, ki so bile izpostavljene posebno težkim razmeram, kot so kanalizacija in morski zidovi, ali v konstrukcijah, zgrajenih na seizmično aktivnih območjih.

Ključni so apneni klasti

Skupina raziskovalcev s Tehnološkega inštituta Massachusetts (MIT), univerze Harvard ter laboratorijev v Italiji in Švici je zdaj dosegla napredek na tem področju in odkrila starodavne strategije izdelave betona, ki vključujejo več ključnih funkcij samozdravljenja. Raziskavo so opravili profesor gradbenega in okoljskega inženirstva na MIT Admir Mašić, nekdanja doktorska študentka Linda Seymour in štiri drugi avtorji.

View of Colosseum in Rome and morning sun, Italy, Europe.
Foto: vwalakte iz iStock

Raziskovalci so dolga leta domnevali, da ključ do trajnosti starodavnega betona temelji na eni sami sestavini: pucolanski snovi, kot je vulkanski pepel z območja Pozzuoli v Neapeljskem zalivu. To posebno vrsto pepela so za uporabo v gradbeništvu pošiljali celo po celotnem obsežnem rimskem imperiju, arhitekti in zgodovinarji pa so ga v zapisih opisovali kot ključno sestavino betona.

Ob natančnejšem pregledu so ti starodavni vzorci vsebovali tudi majhne, značilne, milimetrske svetlo bele mineralne elemente, ki so že dolgo prepoznani kot vseprisotna sestavina rimskih betonov. Ti beli koščki, ki jih pogosto imenujemo apneni klasti, izvirajo iz apna, še ene ključne sestavine antične betonske mešanice. »Odkar sem se začel ukvarjati z antičnim rimskim betonom, so me te značilnosti vedno fascinirale,« pravi Mašić. »Teh ne najdemo v sodobnih betonskih sestavah, zakaj so torej prisotne v teh starodavnih materialih?«

Samozdravljenje betona

Nova študija kaže, da so ti drobni apnenčasti delci betonu dali prej neznano sposobnost samozdravljenja, saj so bili prej obravnavani le kot dokaz površnega mešanja ali slabe kakovosti surovin. »Vedno me je motila misel, da je prisotnost teh apnenčastih delcev preprosto posledica slabega nadzora kakovosti,« pravi Mašić. »Če so Rimljani vložili toliko truda v izdelavo izjemnega gradbenega materiala, upoštevajoč vse podrobne recepte, ki so jih optimizirali skozi več stoletij, zakaj bi vložili tako malo truda v zagotavljanje proizvodnje dobro zmešanega končnega izdelka? V tej zgodbi mora biti nekaj več.«

Po nadaljnji karakterizaciji teh apnenih klastov z uporabo visokoresolucijskih večskalnih tehnik slikanja in kemičnega kartiranja, ki so jih pionirsko uvedli v Mašićevem raziskovalnem laboratoriju, so raziskovalci dobili nov vpogled v potencialno funkcionalnost teh apnenih klastov.

The Pantheon, Rome Italy.
Foto: MasterLu iz iStock

V preteklosti se je domnevalo, da se je apno, ko je bilo vgrajeno v rimski beton, najprej združilo z vodo, da je nastala zelo reaktivna pasta, ki je podobna materialu, v postopku, znanem kot slaking v angleščini. Vendar samo s tem postopkom ni bilo mogoče pojasniti prisotnosti apnenčastih klastov. Mašić se je spraševal: »Ali je mogoče, da so Rimljani dejansko neposredno uporabljali apno v njegovi bolj reaktivni obliki, znani kot gašeno apno?«

Beli vključki sestavljeni iz kalcijevega karbonata

S študijo vzorcev tega starodavnega betona je Mašić s svojo ekipo ugotovil, da so beli vključki dejansko sestavljeni iz različnih oblik kalcijevega karbonata. Spektroskopski pregled je pokazal, da so nastali pri ekstremnih temperaturah, kar bi pričakovali zaradi eksotermne reakcije, ki je nastala pri uporabi gašenega apna namesto ali poleg gašenega apna v mešanici. Ekipa je zdaj ugotovila, da je bilo vroče mešanje pravzaprav ključ do izjemno trpežne narave.

»Prednosti vročega mešanja so dvojne,« pravi Mašić. »Prvič, ko se celoten beton segreje na visoke temperature, omogoča nastanek kemijskih spojin, ki niso mogoče, če bi uporabili samo gašeno apno, saj nastajajo spojine, povezane z visokimi temperaturami, ki sicer ne bi nastale. Drugič, ta povišana temperatura bistveno skrajša čas strjevanja in vezave, saj se vse reakcije pospešijo, kar omogoča veliko hitrejšo gradnjo.«

Med postopkom vročega mešanja se v apnenčastih gručah razvije značilna krhka arhitektura nanodelcev, ki ustvarja zlahka lomljiv in reaktiven vir kalcija, ki bi po mnenju ekipe lahko zagotavljal kritično funkcijo samozdravljenja. Ko se v betonu začnejo oblikovati drobne razpoke, lahko prednostno potujejo skozi apnene klaste z veliko površino. Ta material lahko nato reagira z vodo in ustvari raztopino, nasičeno s kalcijem, ki lahko rekristalizira kot kalcijev karbonat in hitro zapolni razpoko ali pa reagira s pucolanskimi materiali in tako dodatno okrepi kompozitni material. Te reakcije potekajo spontano in zato samodejno zacelijo razpoke, preden se razširijo. Prejšnja potrditev te hipoteze je bila najdena s pregledom drugih vzorcev rimskega betona, pri katerih so se pojavile razpoke, zapolnjene s kalcitom.

Piazza de Spagna in Rome, italy. Spanish steps in the morning. Rome architecture and landmark.
S študijo vzorcev tega starodavnega betona je Mašić s svojo ekipo ugotovil, da so beli vključki dejansko sestavljeni iz različnih oblik kalcijevega karbonata. Foto: Sazonoff iz iStock

Raziskovalci so potrebovali dokaze

Da bi dokazali, da je to res mehanizem, ki je odgovoren za trajnost rimskega betona, je ekipa izdelala vzorce vroče mešanega betona, ki so vključevali antične in sodobne formulacije, jih namerno razpokala in nato skozi razpoke spustila vodo. Vsekakor je bilo tako: V dveh tednih so se razpoke popolnoma zacelile in voda ni mogla več teči. Enak kos betona, narejen brez gašenega apna, se ni nikoli zacelil in voda je še naprej tekla skozi vzorec. Na podlagi teh uspešnih testov si ekipa prizadeva za komercializacijo tega modificiranega cementnega materiala.

»Razveseljivo je razmišljati o tem, kako bi te trajnejše betonske formulacije lahko podaljšale ne le življenjsko dobo teh materialov, temveč tudi, kako bi lahko izboljšale trajnost 3D-tiskanih betonskih formulacij,« pravi Mašić.

Upa, da bi s podaljšano življenjsko dobo in razvojem lažjih betonskih oblik lahko ta prizadevanja pripomogla k zmanjšanju vpliva proizvodnje cementa na okolje, ki trenutno predstavlja približno osem odstotkov svetovnih emisij toplogrednih plinov. Skupaj z drugimi novimi formulacijami, kot je beton, ki lahko dejansko absorbira ogljikov dioksid iz zraka, kar je še en trenutni raziskovalni cilj Mašičevega laboratorija, bi te izboljšave lahko pomagale zmanjšati globalni vpliv betona na podnebje.

Panoramic view of Rome and Basilica of St. Peter in a summer day in Vatican
Da bi dokazali, da je to res mehanizem, ki je odgovoren za trajnost rimskega betona, je ekipa izdelala vzorce vroče mešanega betona, ki so vključevali antične in sodobne formulacije, jih namerno razpokala in nato skozi razpoke spustila vodo. Na fotografiji mesto Rim. Foto: bloodua iz iStock
VIRScienceDaily
Prejšnji članekTitanik se vrača na filmska platna v izboljšani obliki
Naslednji članekŠokantno: Mladi se proti finančni krizi borijo s poliamorijo

Uporabljamo Akismet za manjšanje neželenih oglasnih komentarjev (spam). Politika zasebnosti.