Nowoczesny beton może być wszechstronny i stabilny, ale nie jest zbyt trwały: już po 50-100 latach mieszanka piasku, żwiru i cementu zaczyna pękać i kruszyć się. Inaczej jest w przypadku starożytnego betonu Rzymian: budowle takie jak Koloseum w Rzymie, rzymskie akwedukty i mosty czy nawet starożytne obiekty portowe przetrwały tysiąclecia – nawet pogoda, woda morska, a nawet trzęsienia ziemi nie były w stanie zaszkodzić rzymskim budowlom betonowym. Ale dlaczego?
Naukowcy rozwiązali kilka lat temu jedną z tajemnic rzymskiego betonu: starożytni budowniczowie mieszali w swoim cemencie popiół wulkaniczny i kawałki tufu. Te puzzolany reagowały z wapnem w cemencie i tworzyły szczególnie stabilne, płytkowe minerały, w tym glinokrzemian wapnia tobermoryt. Jednak rzymski beton kryje w sobie drugi sekret, który odkryła teraz Linda Seymour z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i jej koledzy. Na potrzeby swoich badań dokładniej zbadali inny składnik starożytnego betonu: Widoczne białe grudki o wielkości kilku milimetrów, które znajdują się w większości rzymskich mieszanek betonowych i cementowych.
Do tej pory uważano je za zwykłe zanieczyszczenia, które trafiały do betonu w wyniku niepełnego lub nadmiernego wypalenia wapna albo niedostatecznego wymieszania materiału.
„Ale pomysł, że te grudki wapna trafiły do rzymskiego betonu po prostu z powodu nieostrożności, wydał się nam dziwny” – relacjonuje starszy autor Admir Masic z MIT. „Jeśli Rzymianie włożyli tyle wysiłku w swój materiał budowlany i opracowali dla niego własne szczegółowe receptury, optymalizowane przez wieki, to dlaczego mieliby być tak niechlujni przy mieszaniu gotowego produktu? Musiało być w tym coś więcej.”
W poszukiwaniu wyjaśnienia zespół badawczy pobrał próbki z zaprawy rzymskiego muru miejskiego w starożytnym miejscu Privernum we Włoszech i poddał je szczegółowym analizom chemicznym i mineralogicznym – w tym spektroskopii rentgenowskiej, rozpraszaniu promieniowania X i laserowemu obrazowaniu Ramana. Zgodnie z wynikami badań, wnętrze tych białych ziaren składa się z prawie czystego węglanu wapnia – wapienia.
Rzeczą szczególną było jednak to, że struktura tych grudek wapna zdradzała, że nie zostały one wmieszane w cement w obecnej formie. Zamiast tego węglan musiał najpierw powstać w cemencie w reakcji egzotermicznej z wydzieleniem ciepła. Wapno gaszone (Ca(OH)2) normalnie stosowane do produkcji zapraw nie wywołuje jednak takiej reakcji. „Czy Rzymianie mogli zamiast tego użyć wapna w jego bardziej reaktywnej formie – wapna palonego?”, zastanawiał się Masic.
Wapno palone – tlenek wapnia (CaO) – powstaje w wyniku wypalenia wapna z węglanu wapnia i jest bardzo reaktywne: w obecności wody reaguje pod wpływem intensywnego ciepła, tworząc wapno gaszone.
W rzeczywistości źródła historyczne dostarczają dowodów na to, że Rzymianie używali innego rodzaju wapna do swoich budynków nośnych niż na przykład do tynków ściennych czy fresków. W starożytnych przepisach na gips, wapno gaszone jest zwykle określane jako „Calx macerata” i zaleca się, aby przed zmieszaniem go z wodą długo moczyć. „W przypadku wapna do budynków strukturalnych Witruwiusz używa jednak określenia extincta zamiast macerata” – relacjonuje Seymour i jej współpracownicy. To wskazuje na inny proces.
Zdaniem badaczy sugeruje to, że Rzymianie stosowali w swoim betonie metodę „mieszania na gorąco”: zamiast wcześniejszego ubijania wapna, mieszali swoją masę bezpośrednio z wapnem palonym. Podgrzewało to mieszaninę, co sprzyjało tworzeniu się grudek wapna i szczególnie stabilnych form mineralnych z popiołu wulkanicznego. „Dodatkowo podwyższona temperatura skróciła czas potrzebny do wyschnięcia i stwardnienia zaprawy, co przyspieszyło budowę” – wyjaśnia Masic. I nie tylko to: mieszanie na gorąco mogło nawet dać rzymskiemu betonowi zdolności samoleczenia, jak wyjaśniają badacze. Dzieje się tak dlatego, że w wyniku reakcji pozostają grudki wapna, które mogą służyć jako rezerwuar dla przyszłych reakcji: Kiedy w betonie powstaje pęknięcie i wnika w nie woda, wapń rozpuszcza się w wodzie.
W reakcji z rozpuszczonym w wodzie dwutlenkiem węgla powstaje wówczas węglan wapnia, który krystalizuje się i wypełnia pęknięcie nowym materiałem.
Ta „samouzdrawiająca moc” rzymskiego betonu została potwierdzona w eksperymencie. W tym celu naukowcy wymieszali różne mieszanki betonowe według starożytnych i współczesnych receptur i zastąpili część wapna gaszonego wapnem niegaszonym. Po stwardnieniu mieszaniny, badacze celowo stworzyli pęknięcia w swoich próbkach i pozwolili wodzie przepływać przez nie. Okazało się, że pęknięcia w próbkach szybko mieszanych po pewnym czasie same się zamknęły. Beton według rzymskiej receptury pozostaje więc o wiele bardziej trwały i odporny na pękanie niż jego współczesny odpowiednik.”Niezależnie od tego, czy uszkodzenia pojawiają po kilku latach czy wiekach od budowy, tak długo, jak skrzepy wapienne są nadal obecne w materiale, właściwości samoregeneracyjne pozostają nienaruszone” – informują Seymour i jej koledzy. Według naukowców starożytna receptura otwiera więc również możliwość optymalizacji nowoczesnego betonu.
Zespół badawczy już pracuje nad tym, aby ich inspirowane Rzymem mieszanki cementowe były gotowe do wprowadzenia na rynek.
