Zagadka trwałości rzymskiego betonu rozwiązana? Naukowcy znaleźli magiczny składnik

Opracowana w starożytnym Rzymie receptura betonu okazała się pod wieloma względami lepsza od obecnie stosowanych. Wiele dróg, akweduktów, nabrzeży portowych czy masywnych budowli stworzonych z użyciem betonu przetrwało do czasów współczesnych w całkiem dobrej kondycji - niektóre akwedukty nadal dostarczają wodę do Rzymu.

Najsłynniejszym przykładem jest rzymski Panteon: jego oddana do użytku w 128 r. n.e. kopuła – największy taki obiekt z betonu niezbrojonego na świecie – jest nadal nienaruszona. Tymczasem wiele nowoczesnych konstrukcji betonowych rozpadło się już kilkudziesięciu latach eksploatacji.

Tajemnica wiekowego betonu

Tajemnica wiekowego betonu od dziesięcioleci inspirowała naukowców do prowadzenia badań. Szczególnie zagadkowa była wytrzymałość konstrukcji betonowych narażonych na wyjątkowo trudne warunki – doków, kanałów ściekowych, falochronów czy budowli wzniesionych w miejscach aktywnych sejsmicznie.

Przez wiele lat zakładano, że kluczowym składnikiem wyjątkowego rzymskiego betonu jest pucolana – drobny popiół pochodzenia wulkanicznego z okolic Pozzuoli nad Zatoką Neapolitańską (podobne właściwości ma popiół odzyskiwanym ze spalin w elektrociepłowniach). Głównym składnikiem pucolany jest czysta krzemionka w postaci bardzo drobnych zaokrąglonych ziaren. Ważną cechą tej drobnoziarnistej krzemionki jest zdolność do wiązania wapnia. Popiół z Pozzuoli był transportowany jako materiał budowlany po całym imperium rzymskim. W relacjach architektów i historyków z epoki został opisany jako kluczowy składnik betonu.

Teraz zespołowi naukowców z Massachusetts Institute of Technology(MIT), Harvard University oraz laboratoriów we Włoszech i Szwajcarii udało się odkryć zdolność starożytnego betonu do samoregeneracji.

Starożytne próbki betonu zawierają charakterystyczne jasnobiałe cząstki mineralne o wielkości liczonej w milimetrach. Te białe bryłki określane są jako „klasty wapienne” (clast to angielski termin, oznaczający w geologii fragment starej skały, który wszedł w skład nowej skały). Białe klasty powstają z wapna, innego kluczowego składnika starożytnej mieszanki betonowej. Odkąd zacząłem pracować ze starożytnym rzymskim betonem, zawsze fascynowały mnie te cechy — mówi prof. Admir Masic z MIT. - Nie ma ich w nowoczesnych recepturach betonu, więc dlaczego są obecne w tych starożytnych materiałach??

Klasty wapienne

Wcześniej klasty wapienne były lekceważone jako uboczny skutek niedbałego mieszania masy betonowej lub niskiej jakości surowców. Jednak nowe badanie sugeruje, że te małe okruchy wapienne nadają betonowi zdolność “samoleczenia”, której wcześniej nie dostrzegano.

Przypisywanie obecności klastów wapiennych po prostu słabej kontroli jakości zawsze mnie niepokoiło – powiedział Masic. Jeśli Rzymianie włożyli tyle wysiłku w stworzenie wyjątkowego materiału budowlanego, stosując szczegółowe receptury, optymalizowane przez wiele stuleci, dlaczego mieliby wkładać tak mało wysiłku w zapewnienie produkcji dobrze wymieszanego produktu końcowego? W tej historii musi być coś więcej.

Aby wyjaśnić, co to jest, naukowcy wykorzystali wieloskalowe obrazowanie o wysokiej rozdzielczości i techniki mapowania chemicznego, których pionierem było laboratorium badawcze Masica.

Okazało się, że białe inkluzje to rzeczywistości różne formy węglanu wapnia. Badanie spektroskopowe sugerowało, że powstały one w ekstremalnych temperaturach, najprawdopodobniej w reakcji egzotermicznej wywołanej użyciem wapna palonego zamiast lub oprócz wapna gaszonego w mieszance. Zespół doszedł do wniosku, że mieszanie na gorąco było w rzeczywistości kluczem do supertrwałości.

Wapno w rzymskim betonie

Dotychczas zakładano, że wapno w rzymskim betonie było wapnem gaszonym – w procesie zwanym gaszeniem wapno palone uzyskane z pieca wapiennego zalewano wodą, czemu towarzyszyła bardzo wysoka temperatura, ponieważ jest to reakcja wyzwalająca energię. Uzyskana ciastowata masa - wapno gaszone – byłaby dodawana do pozostałych składników rzymskiego betonu.

Jednak ten proces nie mógł wyjaśnić obecności klastów wapiennych. Masic zastanawiał się: Czy to możliwe, że Rzymianie faktycznie bezpośrednio używali wapna w jego bardziej reaktywnej formie, znanej jako wapno palone?.

Korzyści z mieszania na gorąco są dwojakie — wskazał Masic. Po pierwsze, gdy cały beton jest podgrzewany do wysokich temperatur, pozwala to na reakcje chemiczne, jakie nie byłyby możliwe, gdyby użyto tylko wapna gaszonego. W wysokiej temperaturze powstają związki, które inaczej by się nie utworzyły. Po drugie, ta podwyższona temperatura znacznie skraca czas utwardzania i wiązania: wszystkie reakcje są przyspieszane, co pozwala budować znacznie szybciej.

Powstające podczas mieszania na gorąco klasty wapienne tworzą kruche struktury które łatwo pękają, będąc mającym dużą powierzchnię względem wielkości reaktywnym źródłem wapnia. Zdaniem autorów może to zapewnić betonowi funkcję “samoleczenia”.

Gdy tylko w betonie zaczną tworzyć się drobne pęknięcia, zwykle przechodzą one przez przez skupiska wapienne. Materiał ten reaguje następnie z wodą, tworząc roztwór nasycony wapniem, który może rekrystalizować jako węglan wapnia i szybko wypełniać pęknięcie lub reagować z pucolaną, wzmacniając materiał.

Reakcje te zachodzą spontanicznie i dlatego automatycznie leczą pęknięcia, zanim się rozprzestrzenią. Wcześniej w innych rzymskich próbkach betonu zaobserwowano pęknięcia wypełnione kalcytem.

Podczas eksperymentów zespół stworzył próbki betonu mieszanego na gorąco, zarówno według starożytnej, jak i współczesnej receptury, doprowadził do ich popękania, a następnie przez pęknięcia przepuścił wodę. W ciągu dwóch tygodni pęknięcia całkowicie się “zagoiły” i woda nie mogła już przepływać. Identyczny kawałek betonu wykonany bez udziału wapna palonego nigdy się “nie zagoił”, a woda wciąż przepływała przez próbkę. Teraz autorzy pracują nad komercjalizacją zmodyfikowanego cementu.

To ekscytujące myśleć o tym, w jaki sposób te bardziej trwałe preparaty betonowe mogą wydłużyć nie tylko żywotność materiałów, ale także jak mogą poprawić trwałość preparatów betonowych wydrukowanych w 3D - zaznaczył Masic.

Zadaniem naukowca dzięki wydłużeniu żywotności i opracowaniu lżejszych form betonowych można by zmniejszyć wpływ produkcji cementu na środowisko (obecnie odpowiada za około 8 proc. globalnej emisji gazów cieplarnianych). W laboratorium Masica trwają też prace nad innymi nowymi produktami, na przykład betonem, który może pochłaniać dwutlenek węgla z powietrza.

W skład zespołu badawczego weszli Janille Maragh z MIT, Paolo Sabatini z DMAT we Włoszech, Michel Di Tommaso z Instituto Meccanica dei Materiali w Szwajcarii oraz James Weaver z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Uniwersytecie Harvarda. Prace (DOI 10.1126/sciadv.add1602) przeprowadzono przy pomocy muzeum archeologicznego w Priverno we Włoszech.

Autor: Paweł Wernicki