Staroveký rímsky betón sa mohol samoliečiť vďaka „miešaniu za horúca“ s nehaseným vápnom

Slávny Panteón v Ríme sa pýši najväčšou nevystuženou betónovou kupolou na svete – architektonickým zázrakom, ktorý pretrval tisícročia vďaka neuveriteľnej odolnosti starovekého rímskeho betónu. Už desaťročia sa vedci snažia presne určiť, prečo je materiál taký odolný. Nová analýza vzoriek odobratých z betónových múrov archeologického náleziska Privernum neďaleko Ríma priniesla pohľad na tieto nepolapiteľné výrobné tajomstvá. Podľa nový papier publikované v časopise Science Advances.

Tak ako my hlásené skôr, ako dnes Portlandský cement (základná zložka moderného betónu), starodávna rímsky betón bola v podstate zmesou polotekutej malty a kameniva. Portlandský cement sa zvyčajne vyrába zahrievaním vápenca a hliny (ako aj pieskovca, popola, kriedy a železa) v peci. Výsledný slinok sa potom melie na jemný prášok, len s dotykom pridanej sadry – čím lepšie dosiahnete hladký, rovný povrch. Ale kamenivo používané na výrobu rímskeho betónu sa skladalo z kúskov kameňa alebo tehál o veľkosti päste.

Vo svojom pojednaní Architektúra (asi 30 nl), rímsky architekt a inžinier Vitruvius písal o tom, ako postaviť betónové steny pre pohrebné stavby, ktoré by mohli vydržať dlho bez toho, aby sa rozpadli. Odporúčal, aby steny mali hrúbku aspoň dve stopy a boli vyrobené buď zo „štvorcového červeného kameňa, alebo z tehál alebo lávy ukladanej v kurzoch“. Tehla alebo vulkanická hornina kamenivo by malo byť spojené maltou zloženou z hydratovaného vápna a poréznych úlomkov skla a kryštálov zo sopečných erupcií (známych ako vulkanické tephra).

Admir Masic, environmentálny inžinier na MIT, študoval starorímsky betón už niekoľko rokov. Napríklad v roku 2019 Masic a dvaja kolegovia (Jaille Maragh z MIT a James Weaver z Harvardu) vyvinuli novú sadu nástrojov na analýzu rímskych betónových vzoriek z Privernum vo viacerých dĺžkových mierkach – najmä Ramanova spektroskopia na chemické profilovanie a multidetektorová energeticky disperzná spektroskopia (EDS) na fázové mapovanie materiál.

Masic bol aj spoluautorom a štúdia 2021 analýza vzoriek starovekého betónu používaného na stavbu 2000-ročného mauzólea pozdĺž Appianskej cesty v Ríme známej ako Hrobka Caecilia Metella, šľachtičná, ktorá žila v prvom storočí nášho letopočtu. Je široko považovaný za jednu z najlepšie zachovaných pamiatok na Appianskej ceste. Používali Pokročilý svetelný zdroj na identifikáciu množstva rôznych minerálov obsiahnutých vo vzorkách a ich orientáciu, ako aj pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie.

Zistili, že malta hrobky bola podobná stenám Trajanské trhy: vulkanická tephra z Pozzolane Rosse pyroklastický tok, spájajúce veľké kusy tehál a lávového kameniva. Tefra použitá v malte hrobky však obsahovala oveľa viac leucitu bohatého na draslík. Draslík v malte sa postupne rozpustil a účinne rekonfiguroval väzobnú fázu. Niektoré časti zostali nedotknuté po viac ako 2 000 rokoch, zatiaľ čo iné oblasti vyzerali jemnejšie a vykazovali určité známky rozštiepenia. V skutočnosti štruktúra trochu pripomínala nanokryštály. Takže medzifázové zóny sa neustále vyvíjajú prostredníctvom dlhodobej prestavby, čím sa tieto medzifázové zóny posilňujú.

Pre túto najnovšiu štúdiu sa Masic chcel bližšie pozrieť na zvláštne biele minerálne kúsky známe ako „vápenné klasy“, ktoré iní do značnej miery odmietli ako výsledok podpriemerných surovín alebo chudoby miešanie. "Myšlienka, že prítomnosť týchto vápenných klastov bola jednoducho pripísaná nízkej kontrole kvality, ma vždy znepokojovala," povedal Masic. „Keby Rimania vynaložili toľko úsilia na výrobu vynikajúceho stavebného materiálu podľa všetkých podrobných receptov, ktoré boli optimalizované v priebehu mnohých storočí, prečo by vynaložili tak málo úsilia na zabezpečenie výroby dobre premiešaného finále produkt? V tomto príbehu musí byť viac."

Verilo sa, že Rimania skombinovali vodu s vápnom, aby vytvorili vysoko chemicky reaktívnu pastu (hasenie), ale to nevysvetľovalo vápencové usadeniny. Masic si myslel, že mohli použiť ešte reaktívnejšie nehasené vápno (možno v kombinácii s haseným vápno) a jeho podozrenie potvrdila laboratórna analýza s chemickým mapovaním a viacúrovňovým zobrazovaním nástrojov. Klasty boli rôzne formy uhličitanu vápenatého a spektroskopická analýza ukázala, že tieto klasty sa vytvorili pri extrémne vysokých teplotách - známe ako horúce miešanie.

„Výhody horúceho miešania sú dvojaké,“ Povedal Masic. „Po prvé, keď sa celý betón zahreje na vysoké teploty, umožňuje to chemické látky, ktoré nie sú možné, ak by ste použili iba hasené vápno, čím by ste vyrábali zlúčeniny spojené s vysokou teplotou, ktoré by neboli inak forma. Po druhé, táto zvýšená teplota výrazne skracuje časy vytvrdzovania a tuhnutia, pretože všetky reakcie sú zrýchlené, čo umožňuje oveľa rýchlejšiu konštrukciu.

Zdá sa tiež, že poskytuje samoliečiace schopnosti. Podľa Masic, keď sa v betóne začnú tvoriť trhliny, je pravdepodobnejšie, že sa budú pohybovať cez vápencové klasy. Klasty potom môžu reagovať s vodou za vzniku roztoku nasýteného vápnikom. Tento roztok môže buď rekryštalizovať ako uhličitan vápenatý, aby sa vyplnili trhliny, alebo reagovať s pucolánovými zložkami na spevnenie kompozitného materiálu.

Masic a kol. našli dôkazy o trhlinách vyplnených kalcitom v iných vzorkách rímskeho betónu, čo podporuje ich hypotézu. V laboratóriu tiež vytvorili vzorky betónu pomocou procesu miešania za horúca, pričom použili staré a moderné receptúry, potom vzorky zámerne popraskali a nechali cez ne tiecť vodu. Zistili, že praskliny vo vzorkách vyrobených z nehaseného vápna zmiešaného za tepla sa úplne zahojili do dvoch týždňov, zatiaľ čo praskliny sa vo vzorkách bez nehaseného vápna nikdy nezahojili.

DOI: Science Advances, 2022. 10.1126/sciadv.add1602 (O DOI).