Badacze wyjaśnili zagadkę niezwykłej trwałości rzymskiego betonu

Konstrukcje wybudowane przez Rzymian mające ponad 2000 lat nie wykazują tych samych problemów, co współczesne budowle. Jednak sekret materiału, którego używali starożytni budowniczowie wymykał się nam przez cały ten czas. Teraz naukowcy z MIT, Harvardu oraz ze szwajcarskich i włoskich laboratoriów uważają, że w końcu odkryli sekret rzymskiego betonu. Udało im się nawet odtworzyć beton o niezwykle podobnych właściwościach.

Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "Science Advances" (DOI: 10.1126/sciadv.add1602).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Wiele wzniesionych przez starożytnych Rzymian konstrukcji możemy podziwiać do dzisiaj. Wystarczy tutaj wymienić słynny Panteon czy akwedukty. Nic więc dziwnego, że świat nauki od dziesięcioleci łamie sobie głowy próbując wyjaśnić fenomen niezwykłej trwałości stosowanego przez Rzymian betonu. Przez dość długi czas sądzono, że tajemnym jego składnikiem jest jakiś rodzaj materiału pucolanowego, jak np. pył wulkaniczny z okolic Pozzuoli nad Zatoką Neapolitańską. Był on zresztą rozprowadzany po całym rzymskim imperium, a ówcześni historycy pisali o nim jako o istotnym składniku produkowanego wtedy betonu.

Jednakże wydaje się, że zupełnie bezpodstawnie zlekceważono inny jego składnik, który traktowano jako dowód na słabą jakość stosowanych materiałów lub niechlujne praktyki mieszania betonu. Są to niewielkie, bo zaledwie milimetrowe, ale charakterystyczne białe elementy, które są wszechobecne w wytwarzanym przez Rzymian betonie, ale brak ich w tym produkowanym obecnie. Zazwyczaj określa się je jako klastry wapienne, które w istocie pochodzą od wapna, innego z istotnych składowych omawianego betonu.

Naukowcom jednak coś się w tej kwestii nie zgadzało. Bo jeżeli Rzymianie przykładali tak dużą wagę do tego, by ich receptury produkcji były udoskonalane przez wieki, to jak mogliby dopuścić do tego, by produkt końcowy był tak źle zmieszany? Obecność fragmentów wapienia musiała zatem wynikać z czegoś innego. Zazwyczaj uważano, że przed dodaniem do betonu wapno było przez Rzymian gaszone, jednakże nie wyjaśnia to obecności klastrów wapiennych. A zatem czy Rzymianie używali w tym celu wapna palonego, a samo mieszanie jego składników odbywało się na gorąco? Taki proces pozwala na wyprodukowanie składników, które w innych warunkach nie miałyby szans powstać.

Co jednak najistotniejsze: przy takim procesie produkcyjnym betonu klastry wapienne tworzą charakterystyczną kruchą architekturę cząsteczkową, która z kolei staje się reaktywnym źródłem wapnia. Zdaniem naukowców może to umożliwiać rzymskiemu betonowi swoiste samoleczenie się. W momencie, w którym w betonie zaczynają pojawiać się pęknięcia, w końcu przechodzą one przez klastry wapienne. Te z kolei mogą przereagować z wodą, tworząc nasycony wapnem roztwór, który może ponownie skrystalizować się pod postacią węglanu wapnia, wypełniając powstałą lukę, lub też wejść w reakcję z materiałami pucolanowymi, dodatkowo wzmacniając omawiany materiał kompozytowy. A przy tym wszystkie te reakcje zachodzą spontanicznie.

Naukowcom udało się nawet udowodnić, że to rozumowanie jest w istocie prawidłowe. Wyprodukowali bowiem próbki betonu: przy wykorzystaniu współczesnej oraz rzymskiej formuły. Następnie spowodowali, że powstały w nich pęknięcia, a potem puścili przez nie wodę. Współczesny beton nie zregenerował się w ogóle, natomiast rzymski potrzebował na to dwóch tygodni. Wygląda zatem na to, że przed światowym budownictwem otwierają się zupełnie nowe możliwości.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology, fot. Pamela McCreight from Florida, USA, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons