Da li ste znali da su Rimljani koristili beton u gradnji i da je ovaj beton bio specifičan, pravljen u procesu koji se zove „vruće miješanje”, da je jako otporan i postaje čvršći s vremenom? Ovo je tajna rimskog betona i durabilnosti mnogih građevina koje su nastale u antičkom Rimu poput Panteona, koji je posvećen 128. godine nove ere.
Naučnici su dugo pokušavali shvatiti kako je to postignuto.
Posebno je interesantno za strukture koje su izdržale posebno teške uslove, poput dokova, kanalizacije i nasipa, ili onih izgrađenih na seizmički aktivnim lokacijama.
Sad je tim istraživača s MIT-a, Univerziteta Harvard i laboratorija u Italiji i Švajcarskoj otkrio strategije proizvodnje betona. Nalazi su objavljeni danas u časopisu Science Advances, pod naslovom “Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete“.
Voditelj rada bio je naše gore list, profesor građevinarstva i inženjerstva okoliša na MIT-u Admir Mašić. Istraživači su analizirali 2000 godina stare uzorke betona prikupljene sa zida na arheološkom nalazištu Privernum u Italiji.
„Sve što radimo je u cilju da napravimo beton i cement koji će biti održivi materijali. Beton u ovom trenutku nije održiv i proizvodnja ima velike emisije ugljičnog dioksida, što nije dobro po okoliš”, govori on.
Upravo je s tog aspekta Mašiću i njegovom tim interesantan beton koji su proizvodili antički Rimljani. Dugo se smatralo da ovaj materijal i zgrade izgrađene s njim duguju svoju trajnost vulkanskom pepelu iz regiona Napulja, ali Mašićev tim, u radu objavljenom u januaru ove godine u Science Advances pokazuje da su tajne trajnosti i dugovječnosti ovog materijala sadržane u tehnološkom procesu pravljenja.
Ovi drevni uzorci također sadrže male, karakteristične, milimetarske jarko bijele mineralne karakteristike, koje su dugo bile prepoznate kao sveprisutna komponenta rimskog betona. Ovi bijeli komadi, potječu od vapna, još jedne ključne komponente drevne betonske mješavine. “Otkad sam počeo raditi s antičkim rimskim betonom, uvijek sam bio fasciniran tim karakteristikama”, kaže Mašić. “Oni se ne nalaze u modernim formulacijama betona, pa zašto su prisutni u ovim drevnim materijalima?”
Prethodno su bili zanemareni i smatrani neurednom praksom miješanja ili posljedicom sirovina loše kvalitete, ali nova studija sugerira da su upravo te čestice vapna dale antičkom betonu prethodno nepriznatu sposobnost “samozacjeljivanja”.
„Uvijek me mučila ideja da se prisutnost tih čestica jednostavno pripisuje niskoj kontroli kvalitete”, kaže Mašić. “Ako su Rimljani uložili toliko truda u izradu izvanrednog građevinskog materijala, slijedeći sve detaljne recepte koji su optimizirani tijekom mnogih stoljeća, zašto bi uložili tako malo truda da osiguraju proizvodnju dobro izmiješanog konačnog proizvoda? Mora biti nešto više u ovoj priči.”, kazao je Mašić za MIT News.
Nakon daljnje karakterizacije ovih komadića vapna, korištenjem tehnika snimanja u više razmjera visoke razlučivosti i hemijskog mapiranja u Mašićevoj istraživačkoj laboratoriji, istraživači su stekli nove uvide u potencijalnu funkcionalnost ovih klasta vapna.
Pretpostavlja se da je vapno, kada je ugrađeno u rimski beton, prvo kombinovano s vodom kako bi se formirao visoko reaktivan materijal sličan tijestu, u procesu poznatom kao gašenje. Ali sam ovaj proces ne može objasniti prisutnost klasta vapna. Mašić se zapitao: “Je li bilo moguće da su Rimljani zapravo izravno koristili vapno u njegovom reaktivnijem obliku, poznatom kao živo vapno?”
Proučavajući uzorke ovog drevnog betona, on i njegov tim utvrdili su da su bijele inkluzije doista napravljene od različitih oblika kalcijum karbonata. A spektroskopsko ispitivanje dalo je naznake da su oni nastali na ekstremnim temperaturama, kao što bi se očekivalo od egzotermne reakcije proizvedene korištenjem živog vapna umjesto uz gašeno vapno u smjesi. Vruće miješanje, zaključio je tim, zapravo je ključ za super-trajnu prirodu.
„Prednosti vrućeg miješanja su dvostruke”, kaže Mašić. „Prvo, kada se cjelokupni beton zagrije na visoke temperature, to omogućuje hemijske reakcije koje nisu moguće ako ste koristili samo gašeno vapno, proizvodeći spojeve povezane s visokom temperaturom koji inače ne bi nastali. Drugo, ova povišena temperatura značajno smanjuje stvrdnjavanje i vezivanje jer su sve reakcije ubrzane, što omogućuje puno bržu konstrukciju.”
Tokom procesa vrućeg miješanja, čestice vapna razvijaju karakterističnu krhku strukturu nanočestica, stvarajući lako lomljivi i reaktivni izvor kalcijuma, koji bi, kako je tim predložio, mogao pružiti kritičnu funkcionalnost obnavljanja materijala. Čim se sitne pukotine počnu stvarati unutar betona, one mogu ponajprije putovati kroz vapnene klaste velike površine. Ovaj materijal tada može reagovati s vodom, stvarajući otopinu zasićenu kalcijem, koja se može rekristalizirati kao kalcijev karbonat i brzo ispuniti pukotinu, ili reagirati s pucolanskim materijalima kako bi dodatno ojačao kompozitni materijal. Te se reakcije odvijaju spontano i stoga automatski zacjeljuju pukotine prije nego što se šire. Prijašnja potpora ovoj hipotezi pronađena je ispitivanjem drugih rimskih betonskih uzoraka koji su pokazivali pukotine ispunjene kalcitom.
Kako bi dokazali da je to doista mehanizam odgovoran za trajnost rimskog betona, tim je proizveo uzorke vruće miješanog betona koji je uključivao i drevne i moderne formulacije, namjerno ih napukao, a zatim pustio vodu kroz pukotine. U roku od dvije sedmice pukotine su potpuno zacijelile i voda više nije mogla teći. Identičan komad betona napravljen bez živog vapna nikad nije zarastao, a voda je samo nastavila teći kroz uzorak. Kao rezultat ovih uspješnih testova, tim radi na komercijalizaciji ovog modificiranog cementnog materijala.
Kada se stvori pukotina i kroz nju prođe voda, voda se zasićuje kalcijumom iz ovih malih rezervoara, koji se potom u pukotinama kristaliziraju i zacjeljuju materijal. Ovaj kalcijum može reagovati i sa silikatom iz vulkanskog pepela koji je također dio smjese i još više učvrstiti materijal. Nešto kao rana koju tijelo samo zacijeli pomoću vlastitog materijala.
„Te grudvice kreča se zbog reakcije vode i kalcijum oksida proširuju, i to proširenje napravi jako porozan materijal i kada voda uđe u tu strukturu, tu postoji jako mnogo površine i voda se automatski zasićuje kalcijumom, koji dalje reaguje, kristalizira i učvršuje materijal”, objašnjava Mašić.
Mašićev tim je proizveo beton modernim i antičkim metodama i onda su izazivali pukotine u materijalu da testiraju pretpostavku. U uzorcima koji nisu pravljeni pomoću živog kreča, voda je samo tekla i nije dolazilo do zacjeljivanja.
Kroz produženi funkcionalni životni vijek i razvoj lakših betonskih oblika, Mašić se nada da bi ti napori mogli pomoći u smanjenju utjecaja proizvodnje cementa na okoliš, koji trenutno čini oko 8 posto globalnih emisija stakleničkih plinova. Zajedno s drugim novim formulacijama, kao što je beton koji zapravo može apsorbirati ugljični dioksid iz zraka, još jedan trenutni fokus istraživanja laboratorija Mašić, ova poboljšanja bi mogla pomoći u smanjenju globalnog utjecaja betona na klimu.
Prevedeno i prilagođeno s MIT News
