Drevni Rimljani bili su majstori građevinarstva i inženjeringa, što je možda najpoznatije prikazano akvaduktima…

I ta još uvijek funkcionalna čuda oslanjaju se na jedinstveni građevinski materijal: pozzolanski beton, iznimno izdržljiv beton koji je dao rimskim strukturama njihovu nevjerojatnu snagu. Čak i danas, jedna od njihovih struktura – Panteon, još uvijek netaknut i gotovo 2.000 godina star – drži rekord za najveću kupolu na svijetu napravljenu od nearmiranog betona. Svojstva ovog betona općenito su pripisivana njegovim sastojcima: pozzolani, smjesi vulkanskog pepela – nazvane po talijanskom gradu Pozzuoli, gdje se može naći značajno nalazište – i vapna. Kada se pomiješaju s vodom, ta dva materijala mogu reagirati kako bi proizvela snažan beton.

Ali to, kako se ispostavilo, nije cijela priča. Kako prenosi Science Alert, godine 2023., međunarodni tim istraživača predvođen Massachusetts Institute of Technology (MIT) otkrio je da ne samo da su materijali nešto drugačiji od onoga što smo mogli misliti, već su i tehnike korištene za miješanje bile drugačije. A kako su to saznali? Zahvaljujući malim, bijelim grudama vapna koje se mogu naći u onome što izgleda kao inače dobro pomiješan beton. Prisutnost ovih gruda ranije je pripisivana lošem miješanju ili materijalima, ali to nije imalo smisla za znanstvenika materijala Admiru Masicu s MIT-a.

Vapnene grude

“Ideja da je prisutnost ovih vapnenih gruda jednostavno pripisana niskoj kontroli kvalitete uvijek me mučila,” rekao je Masic u siječnju 2023. “Ako su Rimljani uložili toliko truda u izradu izvanrednog građevinskog materijala, slijedeći sve detaljne recepte koji su se optimizirali tijekom mnogih stoljeća, zašto bi uložili tako malo truda u osiguranje proizvodnje dobro pomiješanog konačnog proizvoda? Mora biti više u ovoj priči.”

Masic i njegovi kolege, predvođeni građevinskim inženjerom MIT-a Lindom Seymour, pažljivo su proučavali 2.000 godina stare uzorke rimskog betona s arheološkog nalazišta Privernum u Italiji. Ovi uzorci bili su podvrgnuti elektronskoj mikroskopiji velikog područja i energodisperzivnoj rendgenskoj spektroskopiji, difrakciji rendgenskih zraka u prahu i konfokalnom Ramanovom snimanju kako bi se bolje razumjeli vapneni grudi.

Jedno od pitanja na umu bila je priroda korištenog vapna. Standardno razumijevanje pozzolanskog betona je da koristi posebno vapno. Prvo, vapnenac se zagrijava na visokim temperaturama kako bi se proizveo visoko reaktivni kaustični prah zvan brzo vapno ili kalcijev oksid. Miješanje brzog vapna s vodom proizvodi kalcijev hidroksid: nešto manje reaktivnu, manje kaustičnu pastu. Prema teoriji, bilo je to vapno koje su drevni Rimljani miješali s pozzolanom.

Visoka temperatura je ključ

Na temelju analize tima, vapnene grude u njihovim uzorcima nisu u skladu s ovom metodom. Radije, rimski beton je vjerojatno napravljen miješanjem brzog vapna izravno s pozzolanom i vodom na iznimno visokim temperaturama, samo po sebi ili uz dodatak posebnog vapna, proces koji tim naziva “vruće miješanje” koji rezultira vapnenim grudama.

“Prednosti vrućeg miješanja su dvostruke,” rekao je Masic. “Prvo, kada se ukupni beton zagrije na visoke temperature, omogućuje kemije koje nisu moguće ako koristite samo mješano vapno, proizvodeći spojeve povezane s visokom temperaturom koji inače ne bi nastali. Drugo, ovo povećanje temperature značajno smanjuje vrijeme sušenja i postavljanja jer su sve reakcije ubrzane, omogućujući puno bržu izgradnju.”

I ima još jednu korist: Vapnene grude daju betonu izvanredne sposobnosti samozacjeljivanja. Kada se pukotine formiraju u betonu, one preferiraju putovati do vapnenih gruda, koje imaju veću površinu od drugih čestica. Kada voda uđe u pukotinu, reagira s vapnom kako bi se formirao materijal bogat kalcijem koje se suši i stvrdne kao kalcijev karbonat, zalijepljujući pukotinu i sprječavajući njezino daljnje širenje.

To je primijećeno u betonu s još jednog 2.000 godina starog nalazišta, Grobnice Caecilije Metelle, gdje su pukotine u betonu ispunjene kalcitom. To bi također moglo objasniti zašto je rimski beton s morskih zidova izgrađenih prije 2000 godina opstao netaknut tisućama godina unatoč stalnom udaranju oceana.

Dakle, tim je testirao svoje nalaze izradom pozzolanskog betona iz drevnih i modernih recepata koristeći brzo vapno. Također su napravili kontrolni beton bez brzog vapna i izveli testove pukotina. Naravno, ovaj posebni Rimski beton je potpuno bio repariran unutar dva tjedna ali kontrolni beton ostao je puknut. Tim sada radi na komercijalizaciji svog betona kao ekološki prihvatljivije alternative trenutnim betonima.

“Uzbudljivo je razmišljati o tome kako bi ove izdržljivije formulacije betona mogle proširiti ne samo vijek trajanja ovih materijala, već i kako bi mogle poboljšati trajnost 3D-tiskanih betonskih formulacija,” rekao je Masic.

Kosmos