Historia

Tajemnica rzymskiego betonu rozwiązana. To może oznaczać rewolucję w budownictwie

Ostatnia aktualizacja: 10.01.2023 05:50
Budowle wzniesione przez starożytnych Rzymian stoją do dziś dzięki niezwykłym właściwościom wytwarzanego przez nich betonu. Naukowcom udało się wyjaśnić, co nadaje budulcowi niezwykłych właściwości. Antyczna technologia może pomoc w opracowaniu spoiwa, które przetrwa tysiąclecia – informuje pismo "Science Advances".
Akwedukt w Rzymie. Tego typu konstrukcje były symbolem rzymskiej cywilizacji w wielu zakątkach imperium.
Akwedukt w Rzymie. Tego typu konstrukcje były symbolem rzymskiej cywilizacji w wielu zakątkach imperium. Foto: Muzeum Narodowe w Warszawie/dp

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 po kilkudziesięciu latach eksploatacji.

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.

Panteon w Rzymie. Fot.: Muzeum Narodowe w Warszawie Panteon w Rzymie. Fot. Muzeum Narodowe w Warszawie

Czym była pucolana?

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.

Samoregenerujący się beton

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?

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.

Czytaj także:

Mieszanie na gorąco kluczem do trwałości

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 cząstki to w 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 super trwałości.

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. 

Rzymianie używali wapna palonego?

- Czy to możliwe, że Rzymianie faktycznie bezpośrednio używali wapna w jego bardziej reaktywnej formie, znanej jako wapno palone? - zastanawiał się prof. Masic. - Korzyści z mieszania na gorąco są dwojakie. Po pierwsze, gdy cały beton jest podgrzewany do wysokich temperatur, pozwala to na reakcje chemiczne, jakie nie byłyby możliwe, gdyby użyto tylko wapna gaszonego.

Jak podkreśla naukowiec, 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.

Jak działa samoregeneracja rzymskiego betonu?

Powstające podczas mieszania na gorąco klasty wapienne tworzą kruche struktury które łatwo pękają, stając się w ten sposób reaktywnym źródłem wapnia o relatywnie dużej powierzchni. 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 te 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.

Starożytny ekobeton

Teraz autorzy pracują nad komercjalizacją zmodyfikowanego cementu. Zadaniem naukowców 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 prof. 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 przeprowadzono przy pomocy muzeum archeologicznego w Priverno we Włoszech.

PAP/Science Advances/bm

Czytaj także

Kim byli Etruskowie? Badania DNA rzucają nowe światło na pochodzenie niezwykłego ludu

Ostatnia aktualizacja: 01.10.2021 05:50
Cywilizacja etruska, która rozkwitła w epoce żelaza w środkowych Włoszech, intrygowała naukowców przez tysiąclecia. Dzięki niezwykłym umiejętnościom metalurgicznym i nieistniejącemu już językowi nieindoeuropejskiemu, Etruskowie wyróżniali się na tle swoich  sąsiadów. Ekspertyza genetyczna pozwoliła wyjaśnić zagadkę ich pochodzenia.
rozwiń zwiń
Czytaj także

Pompeje. Odkryto pokój niewolników. Jest wielkości dzisiejszych "mikroapartamentów"

Ostatnia aktualizacja: 15.11.2021 05:50
Mierząca 16 metrów kwadratowych izba była częścią Civita Giuliana, willi zamożnego obywatela, najpewniej pełniła funkcję sypialni dla trzech osób, w tym prawdopodobnie jednego dziecka. 
rozwiń zwiń
Czytaj także

Armenia. Odkryto najdalej na wschód wysunięty rzymski akwedukt

Ostatnia aktualizacja: 20.11.2021 05:40
Pozostałości łukowej konstrukcji odnaleziono w Artaszat, mieście nieopodal granicy turecko-armeńskiej. Wznieśli ją rzymscy żołnierze w latach 114-117 n.e.
rozwiń zwiń
Czytaj także

Wielka Brytania. Bogata rzymska osada odnaleziona dzięki budowie szybkiej kolei

Ostatnia aktualizacja: 17.01.2022 05:40
Badania archeologiczne wykazały, że na terenie znanym jako Blackgrounds, funkcjonował ważny ośrodek handlowy. Na miejscu archeolodzy odnaleźli wiele cennych artefaktów, w tym ponad 300 monet z czasów cesarstwa.
rozwiń zwiń
Czytaj także

Tajemniczy cesarz Sponsjan istniał naprawdę - twierdzą naukowcy. Dowodem starożytna moneta

Ostatnia aktualizacja: 25.11.2022 05:50
Antyczny pieniądz z wizerunkiem rzymskiego uzurpatora przez lata uważany był za fałszerstwo. Potwierdzona właśnie autentyczność numizmatu jest zarazem dowodem na historyczność ambitnego polityka działającego na rubieżach imperium rzymskiego.
rozwiń zwiń
Czytaj także

Co jedli starożytni kibice? Odpowiedź znaleziono w Koloseum

Ostatnia aktualizacja: 28.11.2022 05:40
Widzowie walk gladiatorów jedli w czasie widowisk pieczone mięso, placki przypominające pizze, orzechy, warzywa i owoce - ustalili naukowcy na podstawie badań przeprowadzanych przy okazji prac hydraulicznych w 70-metrowym kanale słynnego rzymskiego amfiteatru.
rozwiń zwiń
Czytaj także

Attyla zaatakował imperium rzymskie, bo jego ludziom doskwierała susza - twierdzą naukowcy

Ostatnia aktualizacja: 28.12.2022 05:50
Węgry doświadczyły w 2022 roku najsuchszego lata w historii pomiarów. Archeolodzy sugerują, że podobna klęska klimatyczna przyczyniła się do tego, że Hunowie zamieszkujący te tereny w V w. n.e. zmienili się z pasterzy w brutalnych najeźdźców zagrażających Rzymowi.
rozwiń zwiń