Pomimo tego, że zostały zbudowane tysiące lat temu, niektóre betonowe konstrukcje na całym świecie zaskakująco i dosłownie przetrwały próbę czasu. Przede wszystkim rzymski Panteon został zbudowany około 126-128 rne – ale jego masywna, niezbrojona betonowa kopuła nadal majestatycznie zakotwicza miasto. Kilka starożytnych rzymskich akweduktów jest nadal w użyciu, stale dostarczając wodę w całym kraju.
Powstaje więc naturalne pytanie: co może być szczególnego w 2000-letnim betonie? I jak możemy budować supermocarstwa tak trwałe, jak kultowe budowle imperium rzymskiego? W piątek w czasopiśmie Science Advances inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology przedstawili fascynującą odpowiedź. Krótko mówiąc, uważają, że małe minerały zwane „klastami wapiennymi” nadawały staremu betonowi pewnego rodzaju zdolność gojenia.
OK, to brzmi antyklimatycznie.
Ale naprawdę interesujące jest to, że przez lata naukowcy zakładali, że obecność klastów wapiennych w starożytnej mieszance betonowej była przypadkowa – wynikiem złego mieszania i nieuwagi.
„Pomysł, że obecność tych klastów wapiennych była po prostu przypisywana niskiej kontroli jakości, zawsze mnie niepokoił” – powiedział w oświadczeniu Admir Masic, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na MIT i główny autor badania.
„Jeśli Rzymianie włożyli tyle wysiłku w stworzenie wyjątkowego materiału budowlanego, stosując wszystkie szczegółowe receptury, które były optymalizowane przez wiele stuleci”, kontynuował Masic, „dlaczego mieliby wkładać tak mało wysiłku w zapewnienie produkcji dobrze wymieszany produkt końcowy? W tej historii musi być coś więcej”.
Oto kopuła wewnątrz rzymskiego Panteonu. Jest wykonany z betonu, jak wiele nowoczesnych budynków, ale ze specjalną recepturą.
Obrazy Getty’ego
Historia zaczyna się od pyłu wulkanicznego
Z historycznego punktu widzenia, według Masica i innych badaczy, eksperci zakładali, że sekretny składnik konstrukcji budowlanych, takich jak Panteon, ma związek z substancją zwaną materiałem pucolanowym. Co dziwne, materiał pucolanowy pochodzi z popiołu wulkanicznego w rejonie Pozzuoli nad Zatoką Neapolitańską.
Ówcześni architekci mieli obsesję na punkcie tego materiału, posuwając się nawet do wysyłania go do imperium rzymskiego dla robotników budowlanych łączących kluczowe właściwości.
Ale po dokładniejszym zbadaniu próbek starożytnego betonu Masic zauważył obecność w środku tak zwanych klastów wapiennych. Należy zauważyć, że klasty limonki nie są łatwe do wykonania. Nie są przypadkowym produktem ubocznym innych procesów chemicznych. Jeśli chcesz, musisz aktywnie tworzyć klasty limonkowe, wyjaśnił zespół.
A dokładniej, musisz wymieszać beton z wapnem w bardzo wysokich temperaturach, aby uzyskać kilka ozdób wapiennych.
I rzeczywiście, po nieco większej analizie, zespół znalazł dowód na (niezwykle) mieszanie na gorąco w starożytnych próbkach betonu. Rzymianie naprawdę chcieli tam wapna.
Ponadto „korzyści z mieszania na gorąco są dwojakie”, powiedział Masic, jeśli chodzi o ogólną konstrukcję.
Po pierwsze, gdy beton jest podgrzewany do wysokich temperatur, wytwarza związki, których nie można uzyskać, jeśli używa się tylko wapna gaszonego – co odnosi się do wapna niemieszanego na gorąco. Po drugie, podwyższona temperatura znacznie skraca tak zwane „utwardzanie” i czasy wiązania podczas budowania konstrukcji. To dlatego, że ciepło przyspiesza reakcje, a przyspieszone reakcje oznaczają szybszą konstrukcję.
Co więcej, „ekscytujące jest myślenie o tym, w jaki sposób te bardziej trwałe preparaty betonowe mogą wydłużyć nie tylko żywotność tych materiałów, ale także w jaki sposób mogą poprawić trwałość preparatów betonowych wydrukowanych w 3D” – powiedział Masic.
Tutaj Masic odnosi się do tych właściwości samoleczenia, o których wspomniałem wcześniej.
Wielkopowierzchniowa mapa elementarna 2-centymetrowego fragmentu starożytnego rzymskiego betonu (po prawej) zebranego ze stanowiska archeologicznego w Privernum we Włoszech (po lewej). Bogaty w wapń klast wapienny (na czerwono), który jest odpowiedzialny za unikalne właściwości samoleczenia tego starożytnego materiału, jest wyraźnie widoczny w dolnym obszarze obrazu.
Admir Masic i inni badacze.
Zasadniczo, podczas procesu mieszania na gorąco, klasty wapienne tworzą specjalny wzór w betonie i tworzą tak zwane reaktywne źródło wapnia. Oznacza to, że jeśli kiedykolwiek powstaną małe pęknięcia, istnieje duże prawdopodobieństwo, że będą one przemieszczać się wzdłuż małego wzoru klastów wapiennych. Następnie, jeśli woda dostanie się do pęknięć, zachodzi szereg reakcji ze źródłem wapnia i, krótko mówiąc, pęknięcia zostają wypełnione zrekrystalizowaną wersją samego źródła wapnia.
Aby potwierdzić swoją hipotezę, naukowcy przetestowali również to.
Pierwszym krokiem było wykonanie betonu poprzez mieszanie na gorąco, z zapewnieniem obecności klastów wapiennych. Krok drugi: Utwórz kilka pęknięć. Krok trzeci: Przepuść wodę przez pęknięcia.
I oto w ciągu dwóch tygodni stwierdzili, że pęknięcia całkowicie się zagoiły i woda nie mogła już płynąć. (Zanim zapytasz, nie, nowoczesna betonowa wersja, którą testowali, nie zagoiła się.)
Jednak tajemniczo niesamowity materiał architektury rzymskiej prawdopodobnie sięga znacznie głębiej niż tylko z włączeniem klastów wapiennych. Na przykład osobne badanie MIT, również przeprowadzone przez Masica, z października 2021 r. wykazało, że liczący 2050 lat rzymski grobowiec miał w ścianach dużo tego magicznego pyłu wulkanicznego – i zauważono, że „nietypowe interakcje chemiczne z deszczem i wody gruntowe [accumulated] ponad dwa tysiąclecia” z powodu tego popiołu.
Te interakcje najwyraźniej pomogły w spójności betonu. Jednak badanie to skorelowało wyniki z pochodną potasu, a nie w szczególności z klastami wapna.
„Zrozumienie powstawania i procesów starożytnych materiałów może dostarczyć naukowcom nowych sposobów tworzenia trwałych, zrównoważonych materiałów budowlanych na przyszłość” – powiedział Masic w komunikacie prasowym na temat badania z 2021 r. „Grobowiec Caecilii Metelli jest jedną z najstarszych wciąż stojących budowli, oferującą wgląd, który może zainspirować nowoczesne budownictwo”.
Na razie zespół pracuje nad komercjalizacją samonaprawiającej się betonowej mikstury, którą właśnie sporządził.
