Tajemnica trwałości rzymskich budynków rozwiązana

Źródło zdjęcia: Emmanuele Ciancaglini/Getty Images

W wielu przypadkach rzymski beton okazał się bardziej wytrzymały niż jego współczesny odpowiednik, który może ulec zniszczeniu już po kilku dekadach. Nowe badanie pomogło odkryć tajemniczy składnik, który pozwolił Rzymianom na budowanie trwałych, skomplikowanych konstrukcji nawet w trudnych miejscach, takich jak porty, kanały i strefy podatne na trzęsienia ziemi.

Zespół badawczy, w tym naukowcy ze Stanów Zjednoczonych, Włoch i Szwajcarii, przeanalizował próbki betonu sprzed 2000 lat pobrane z muru z miasteczka Privernum, w centralnych Włoszech. Jego skład jest podobny do innych próbek betonu znalezionych w całym Imperium Rzymskim.

Odkryto, że białe kawałki, zwane także kawałkami wapna, nadawały betonowi zdolność do naprawiania pęknięć powstałych na przestrzeni czasu. Wcześniej, te białe odłamki były pomijane, ponieważ każdy uważał je za dowód niechlujnego mieszania materiałów o niskiej jakości.

„Ciężko mi było uwierzyć, że starożytni rzymscy budowniczy zrobili tak dobrą robotę starannie dobierając i przetwarzając materiały” - stwierdził autor badania Admir Masic, profesor nadzwyczajny inżynierii lądowej i środowiskowej z uczelni Massachusetts Institute of Technology. „Uczeni zapisywali staranne przepisy i narzucali je podczas budowy w całym Imperium Rzymskim” - dodał Masic.

Nowe odkrycie może sprawić, że produkcja współczesnego betonu stanie się trwalsza, lub nawet wstrząśnie społeczeństwem, tak jak to stało się kiedyś za sprawą Rzymian.

„Beton pozwolił Rzymianom na architektoniczną rewolucję” - oznajmił Masic. „Rzymianie byli w stanie budować i przekształcać miasta w coś niespotykanego i jednocześnie pięknego. Ta rewolucja zmieniła całkowicie sposób życia ludzi.”

Kawałki wapnia i trwałość betonu

Beton jest sztuczną skałą, powstałą z mieszaniny cementu – substancji wiążącej zrobionej zazwyczaj z wapienia, wody, drobnego kruszywa (piasku lub drobno pokruszonej skały) i grubego kruszywa (żwiru lub pokruszonej skały).

Rzymskie pisma sugerowały użycie wapna gaszonego (wapno łączone z wodą przed mieszaniem) jako substancji wiążącej. Dlatego uczeni zakładali, że w taki właśnie sposób tworzono rzymski beton, powiedział Masic.

Dalsze badania ukazały, że kawałki wapnia powstały przez użycie wapna palonego (tlenku wapnia), czyli najbardziej reaktywnej, niebezpiecznej suchej formy wapienia, podczas mieszania betonu, a nie jako dodatek do wapnia gaszonego.

Dalsza analiza betonu pokazuje, że kawałki wapnia tworzyły się w ekstremalnych temperaturach, których spodziewano się po użycia wapna palonego. Mieszanie „na gorąco” było kluczem do trwałości betonu.

„Korzyści mieszania na gorąco są podwójne” - powiedział Masic w komunikacie prasowym. „Po pierwsze, gdy beton jest podgrzewany do wysokiej temperatury, wytwarzane są chemikalia niemożliwe przy używaniu wapna gaszonego. Produkują one w wysokich temperaturach związki, które inaczej by nie powstały. Po drugie, podwyższona temperatura zmniejsza czas utwardzania i wiązania, ponieważ wszystkie reakcje są przyspieszone, co pozwala na znacznie szybsze budowanie.”

Aby zbadać, czy kawałki wapnia wpłynęły na zdolność rzymskiego betonu do samo naprawy, zespół przeprowadził eksperyment. Stworzyli dwie próbki betonu, jedną według rzymskich receptur, a drugą według współczesnych reguł. Po dwóch tygodniach, beton wykonany według rzymskiego przepisu nie przepuszczał wody, natomiast ten wykonany bez wapnia palonego ją przepuszczał.

Ich odkrycia sugerują, że kawałki wapnia mogą rozpuścić się w pęknięciach i zrekrystalizować w połączeniu z wodą, tym samym naprawiając szczeliny powstałe przez czynniki atmosferyczne, zanim te staną się poważniejsze. Badacze twierdzą, że samo naprawa może otworzyć drogę dla produkcji bardziej długotrwałego, wytrzymałego, nowoczesnego betonu. Taki ruch zmniejszyłby ślad węglowy betonu stanowiący nawet 8% globalnej emisji gazów cieplarnianych, twierdzi badanie.

Przez wiele lat naukowcy myśleli, że popiół wulkaniczny z okolic Pozzuoli, nad zatoką Neapolitańską przyczyniał się do trwałości rzymskiego betonu. Ten rodzaj popiołu był przenoszony wzdłuż Imperium Rzymskiego, by używać go w budownictwie. Według architektów i historyków był nazywany kluczowym składnikiem betonu w tamtym czasie.

Masic stwierdził, że oba składniki są tak samo ważne, ale wapno było przeoczane w przeszłości. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.