O tym, że starożytni Rzymianie byli mistrzami inżynierii, przeczytamy już w szkolnych podręcznikach od historii. Stworzyli rozległe sieci dróg, akweduktów, portów i masywnych budynków, których fragmenty przetrwały dwa tysiąclecia. Jak to możliwe, że ich beton był tak wytrzymały? Słynny Panteon, który ma największą na świecie kopułę z niezbrojonego betonu i został wzniesiony w 128 r. n.e., jest nadal nienaruszony, a niektóre starożytne akwedukty do dzisiaj dostarczają wodę.
Czytaj też:Czyje szczątki zawierają ołowiane trumny z Notre-Dame?
Naukowcy od lat zastanawiali się, co stanowi o wyjątkowości rzymskiego betonu. Teraz uczeni z MIT, Uniwersytetu Harvarda i laboratoriów we Włoszech oraz Szwajcarii, znaleźli odpowiedź na tę zagadkę. Praca została opublikowana w czasopiśmie Science Advances.
Beton niezwykły
Przez dekady naukowcy zakładali, że kluczem do trwałości starożytnego betonu jest pucolana, czyli ceramiczny materiał budowlany, rodzaj pyłu lub drobnego popiołu, pochodzącego z okolic Pozzuoli nad Zatoką Neapolitańską. W relacjach architektów i historyków z czasów antycznych, pucolana jest opisywana jako najważniejszy składnik betonu.
Dokładniejsza analiza wykazała, że starożytne próbki betonu zawierają również drobne, milimetrowe, białe elementy mineralne, które występują we wszystkich rzymskich betonach – mowa o tzw. klastrach wapiennych.
Prof. Admir Masic z MIT mówi:
Odkąd po raz pierwszy zacząłem pracować ze starożytnym rzymskim betonem, zawsze byłem zafascynowany tymi cechami. Nie występują one w nowoczesnych formułach betonowych, więc dlaczego są obecne w tych starożytnych materiałach?
Wcześniej uważano je za dowód na niechlujne praktyki mieszania lub pochodne słabej jakości surowców. Teraz okazuje się, że nadawały betonowi niezwykłej cechy – zdolności “samoleczenia”.
Prof. Masic dodaje:
Pomysł, że obecność tych wapiennych klastrów była po prostu przypisana do niskiej kontroli jakości zawsze mnie niepokoił. Jeśli Rzymianie włożyli tyle wysiłku w stworzenie znakomitego materiału budowlanego, postępując zgodnie ze wszystkimi szczegółowymi przepisami, które zostały zoptymalizowane w ciągu wielu wieków, dlaczego mieliby włożyć tak mało wysiłku w zapewnienie produkcji dobrze wymieszanego produktu końcowego? W tej historii musiało być coś więcej.
Historycy zakładali, że kiedy wapno było dodawane do rzymskiego betonu, najpierw łączono je z wodą (aby stworzyć wysoce reaktywny materiał przypominający pastę). Okazuje się jednak, że Rzymianie prawdopodobnie bezpośrednio używali wapna w jego bardziej reaktywnej formie, znanej jako wapno palone.
Białe inkluzje wykryte w rzymskim betonie były wykonane z różnych form węglanu wapnia. Badania spektroskopowe potwierdziły, że powstały one w ekstremalnych temperaturach – to mieszanie na gorąco było kluczem do osiągnięcia superwytrzymałej konsystencji materiału.
Czytaj też:Co zabiło Czarnego Księcia? Raczej nie przewlekła czerwonka, jak uważaliśmy do tej pory
Prof. Masic tłumaczy:
Korzyści z mieszania na gorąco są dwojakie. Po pierwsze, gdy ogólny beton jest podgrzewany do wysokiej temperatury, pozwala na chemię, która nie jest możliwa, jeśli używasz tylko wapna gaszonego, produkując związki związane z wysoką temperaturą, które w przeciwnym razie by nie powstały. Po drugie, ta podwyższona temperatura znacznie zmniejsza czas utwardzania i wiązania, ponieważ wszystkie reakcje są przyspieszone, co pozwala na znacznie szybsze budowanie.
Podczas mieszania na gorąco, klastry wapienne rozwijają charakterystyczne nanocząstki, tworząc łamliwe i reaktywne źródło wapnia, które zapewnia zdolność samoleczenia. Gdy tylko w betonie powstają mikropęknięcia, mogą być one wypełniane przez wspomniane klastry. Reakcje te zachodzą spontanicznie i dlatego automatycznie leczą pęknięcia, zanim się rozprzestrzenią.
Prof. Masic podsumowuje:
To ekscytujące myśleć o tym, jak te bardziej trwałe formuły betonu mogą rozszerzyć nie tylko żywotność materiałów, ale także jak może to poprawić trwałość formuły betonu pochodzącego z druku 3D.