Napokon znamo zašto je drevni rimski beton bio tako izdržljiv
Stari Rimljani bili su majstori graditeljstva i inženjeringa, a vjerojatno su najpoznatiji po akvaduktima. Ta, još uvijek funkcionalna čuda, oslanjaju se na jedinstveni građevinski materijal: pucolanski beton, spektakularno izdržljiv beton koji je rimskim strukturama davao nevjerojatnu čvrstoću.
Čak i danas, jedna od njihovih građevina – Panteon, još uvijek bez oštećenja i star gotovo 2000 godina – drži rekord za najveću svjetsku kupolu od nearmiranog betona.
Svojstva betona općenito se pripisuju njegovim sastojcima, pucolanu, mješavini vulkanskog pepela – nazvanog po talijanskom gradu Pozzuoli, gdje je značajno nalazište istog – i vapna. Kada se pomiješaju s vodom, dolazi do kemijske reakcije te nastaje čvrst beton.
No, kako se pokazalo, to nije cijela priča. Međunarodni tim istraživača pod vodstvom Massachusetts Institute of Technology (MIT) otkrio je ne samo da su materijali nešto drugačiji od onoga što smo mislili, već su korištene tehnike miješanja također različite.
Ono što je izgledalo kao dim iz puške bili su mali, bijeli komadi vapna koji se mogu naći u nečemu što se inače čini dobro izmiješanim betonom. Prisutnost ovih komada prethodno se pripisivala lošem miješanju ili lošim materijalima, ali znanstveniku za materijale s MIT-a, Admiru Mašiću, to nije imalo smisla.
"Uvijek me mučila pomisao da se prisutnost klasta vapna jednostavno pripisuje niskoj kontroli kvalitete", kaže Mašić.
"Ako su Rimljani uložili toliko truda u izradu izvanrednog građevinskog materijala, slijedeći detaljne recepte optimizirane tijekom mnogih stoljeća, zašto bi uložili tako malo truda u kontrolu proizvodnje ispravno izmiješanog proizvoda? Mora biti nečeg više u toj 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 skeniranju velike površine, elektronskoj mikroskopiji, rendgenskoj spektroskopiji s disperzijom energije, rendgenskoj difrakciji praha i konfokalnom Ramanovom snimanju, sve kako bi se bolje proučile klaste vapna.
Jedno od pitanja bila je priroda korištenog vapna. Uobičajeno razumijevanje pucolanskog betona je da se dobiva gašenim vapnom. Prvo se vapnenac zagrijava na visokim temperaturama kako bi se proizveo jako reaktivni nagrizajući prah naziva živo vapno ili kalcijev oksid.
Miješanjem živog vapna s vodom dobiva se gašeno vapno ili kalcijev hidroksid: malo manje reaktivna, manje nagrizajuća pasta. Prema teoriji, stari Rimljani su upravo takvo gašeno vapno miješali s pucolanom.
Temeljem predmetne analize, klaste vapna u uzorcima nisu u skladu s navedenom metodom. Umjesto toga, rimski beton vjerojatno je napravljen miješanjem živog vapna izravno s pucolanom i vodom na ekstremno visokim temperaturama, bez ili uz dodatak gašenog vapna, što je proces koji istraživači nazivaju "vruće miješanje" te rezultira vapnenim klastama.
"Prednosti vrućeg miješanja su dvostruke", kaže Mašić.
"Prvo, kada se cjelokupni beton zagrije na visoke temperature, to omogućava kemijske reakcije koje nisu moguće ako ste koristili samo gašeno vapno, proizvodeći spojeve povezane s visokom temperaturom koji inače ne bi nastali. Drugo, povišena temperatura značajno smanjuje vrijeme stvrdnjavanja i vezivanje jer su sve reakcije ubrzane, što omogućava puno brže građenje."
Postoji još jedna korist: vapnene klaste betonu daju posebne sposobnosti „samozacjeljivanja”.
Kada u betonu nastaju pukotine, prvenstveno se šire do vapnenih klasta, koje imaju veću površinu od ostalih čestica u matrici. Kada voda uđe u pukotinu, reagira s vapnom i stvara otopinu bogatu kalcijem koja se suši i stvrdnjava kao kalcijev karbonat, ponovno lijepi pukotinu i sprječava njeno daljnje širenje.
To je primijećeno u betonu s drugog 2000 godina starog nalazišta, grobnice Caecilia Metella, gdje su pukotine u betonu ispunjene kalcitom. Navedeno bi također moglo objasniti zašto je rimski beton valobrana izgrađenih prije 2000 godina tisućljećima preživio netaknut unatoč stalnim udarima mora.
Znanstvenici su testirali svoja otkrića praveći pucolanski beton prema starim i modernim receptima te 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, dok je kontrolni beton ostao napuknut.
Tim sada radi na komercijalizaciji vlastitog betona kao ekološki prihvatljivije alternative sadašnjim betonima.
Izvor: Science Alert