Ich beton wytrzymał tysiące lat i dalej stoi. Zagadka budowniczych ze starożytnego Rzymu rozwiązana

Naukowcy od dawna zastanawiali się, dlaczego rzymski beton był tak wytrzymały, że przetrwał całe tysiąclecia. Zagadka wreszcie została rozwiązana.
Rzymski beton pozwolił na wzniesienie niezwykłych konstrukcji, takich jak Panteon /Fot. Pixabay

Rzymski beton pozwolił na wzniesienie niezwykłych konstrukcji, takich jak Panteon /Fot. Pixabay

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”.

Mapa pierwiastków (wapń: czerwony, krzem: niebieski, aluminium: zielony) 2-centymetrowego fragmentu starożytnego rzymskiego betonu (po prawej) pobranego ze stanowiska archeologicznego w Privernum we Włoszech (po lewej) /Fot. MIT

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.