Brojne se suvremene betonske građevine počinju raspadati već nakon nekoliko desetljeća dok rimske ceste, akvedukti, luke i monumentalne građevine odolijevaju vremenu gotovo dvije tisuće godina. Znanstvenike je dugo zbunjivalo kako je drevni materijal mogao biti toliko izdržljiviji od današnjeg betona, a odgovor se, čini se, krije u sastojku koji se godinama smatrao običnom pogreškom u proizvodnji. Stari Rimljani bili su majstori graditeljstva. Izgradili su goleme mreže cesta, akvedukata i luka te monumentalne građevine, čiji su ostaci preživjeli gotovo dva tisućljeća. Mnoge od tih građevina podignute su od betona. Čuveni rimski Panteon, posvećen 128. godine, i danas je netaknut, a njegova kupola najveća je kupola od nearmiranog betona na svijetu. Pojedini antički rimski akvedukti još uvijek dovode vodu u Rim. Istodobno, brojne moderne betonske građevine počinju propadati već nakon nekoliko desetljeća. Znanstvenici već desetljećima pokušavaju otkriti tajnu iznimne trajnosti drevnog građevinskog materijala, osobito onoga korištenog u objektima izloženima najtežim uvjetima, poput pristaništa, kanalizacijskih sustava i morskih zidova, kao i u građevinama podignutima na seizmički aktivnim područjima. Tim istraživača s američkih sveučilišta MIT i Harvard te iz laboratorija u Italiji i Švicarskoj napravio je važan korak prema odgovoru, objavio je MIT News. Otkrili su da su Rimljani pri proizvodnji betona primjenjivali postupke koji su materijalu davali nekoliko važnih svojstava samoobnavljanja.
Rezultati istraživanja objavljeni su u znanstvenom časopisu Science Advances. Među autorima rada su profesor građevinskog i okolišnog inženjerstva s MIT-a Admir Masic, bivša doktorandica Linda Seymour i još četvero istraživača. Znanstvenici su godinama pretpostavljali da je ključ trajnosti rimskog betona bio jedan sastojak – pucolanski materijal, poput vulkanskog pepela s područja Pozzuolija u Napuljskom zaljevu. Ta se posebna vrsta pepela prevozila diljem golemog Rimskog Carstva kako bi se upotrebljavala u gradnji, a tadašnji arhitekti i povjesničari opisivali su je kao jedan od ključnih sastojaka betona. Međutim, detaljnim pregledom drevnih uzoraka istraživači su uočili i male, prepoznatljive, svijetlobijele mineralne čestice veličine nekoliko milimetara. One su već dugo poznate kao uobičajena sastavnica rimskog betona. Te bijele nakupine, koje se često nazivaju vapnenim grudicama, potječu od vapna, još jednog važnog sastojka drevne betonske smjese.
– Otkako sam počeo proučavati drevni rimski beton, uvijek su me fascinirale te čestice. Ne nalazimo ih u suvremenim formulacijama betona, pa zašto su prisutne u drevnim materijalima? – rekao je Masic. Dugo se smatralo da su vapnene grudice samo posljedica nemarnog miješanja ili uporabe sirovina loše kvalitete. Novo istraživanje, međutim, pokazuje da su upravo te sitne čestice betonu davale dosad neprepoznatu sposobnost samoobnavljanja. – Uvijek me smetala ideja da je prisutnost tih vapnenih grudica jednostavno bila posljedica loše kontrole kvalitete. Ako su Rimljani ulagali toliko truda u stvaranje izvanrednog građevinskog materijala i slijedili detaljne recepte usavršavane tijekom mnogih stoljeća, zašto bi tako malo pažnje posvetili tome da završna smjesa bude dobro izmiješana? U toj priči moralo je biti nešto više – kazao je Masic. Koristeći snimanje visoke razlučivosti u više mjerila i tehnike kemijskog mapiranja razvijene u Masicovu laboratoriju, istraživači su došli do novih spoznaja o mogućoj ulozi vapnenih grudica.
Dosad se pretpostavljalo da se vapno, prije dodavanja rimskom betonu, miješalo s vodom kako bi nastala vrlo reaktivna smjesa nalik pasti. Taj je proces poznat kao gašenje vapna. Međutim, samo takav postupak nije mogao objasniti prisutnost vapnenih grudica. Masic se stoga zapitao jesu li Rimljani možda izravno koristili vapno u njegovu reaktivnijem obliku, poznatom kao živo vapno. Proučavanjem uzoraka drevnog betona tim je utvrdio da su bijele čestice doista sastavljene od različitih oblika kalcijeva karbonata. Spektroskopska analiza pokazala je da su nastale pri ekstremno visokim temperaturama, kakve se mogu očekivati tijekom egzotermne reakcije izazvane uporabom živog vapna umjesto gašenog vapna ili zajedno s njim. Istraživači su zaključili da je takozvano vruće miješanje zapravo bilo ključno za iznimnu trajnost rimskog betona. – Prednosti vrućeg miješanja su dvostruke. Kao prvo, zagrijavanje cijele betonske smjese na visoke temperature omogućuje kemijske reakcije koje nisu moguće kada se upotrebljava samo gašeno vapno. Tako nastaju spojevi povezani s visokim temperaturama koji se inače ne bi formirali. Kao drugo, povišena temperatura znatno skraćuje vrijeme sazrijevanja i vezivanja jer ubrzava sve reakcije, što omogućuje mnogo bržu gradnju – objasnio je Masic.
Tijekom vrućeg miješanja vapnene grudice razvijaju karakterističnu krhku nanostrukturu. Tako nastaje lako lomljiv i reaktivan izvor kalcija koji, prema tvrdnjama istraživača, omogućuje ključnu sposobnost samoobnavljanja. Kada se u betonu počnu stvarati sitne pukotine, one se mogu širiti upravo kroz vapnene grudice, koje imaju veliku površinu. Taj materijal zatim reagira s vodom i stvara otopinu zasićenu kalcijem. Kalcij se može ponovno kristalizirati u obliku kalcijeva karbonata i brzo ispuniti pukotinu ili reagirati s pucolanskim materijalima te dodatno ojačati betonsku smjesu. Te se reakcije odvijaju spontano, zbog čega se pukotine automatski zatvaraju prije nego što se prošire. Potvrda te pretpostavke pronađena je i u drugim uzorcima rimskog betona, u kojima su otkrivene pukotine ispunjene kalcitom. Kako bi dokazali da je upravo taj mehanizam zaslužan za dugotrajnost rimskog betona, znanstvenici su izradili uzorke betona miješanog na visokim temperaturama, koristeći i drevne i suvremene formulacije. U uzorcima su namjerno napravili pukotine, a zatim kroz njih pustili vodu. Rezultat je bio jasan: pukotine su se u roku od dva tjedna potpuno zatvorile, nakon čega voda više nije mogla prolaziti kroz beton.
Istovjetan komad betona izrađen bez živog vapna nije se obnovio te je voda nastavila prolaziti kroz pukotine. Nakon uspješnih testiranja istraživački tim sada radi na komercijalizaciji modificiranog cementnog materijala. – Uzbudljivo je razmišljati o tome kako bi ovakve izdržljivije formulacije betona mogle produljiti uporabni vijek materijala, ali i poboljšati trajnost betona koji se koristi u 3D ispisu – rekao je Masic. Nada se da bi produljenje uporabnog vijeka građevina i razvoj lakših oblika betona mogli pomoći u smanjenju štetnog utjecaja proizvodnje cementa na okoliš. Ta industrija trenutačno je odgovorna za oko osam posto ukupnih svjetskih emisija stakleničkih plinova. Uz druge nove formulacije, poput betona koji može apsorbirati ugljikov dioksid iz zraka, čime se također bavi Masicov laboratorij, ta bi poboljšanja mogla pomoći u smanjenju globalnog klimatskog utjecaja betona. U istraživačkom timu bili su i Janille Maragh s MIT-a, Paolo Sabatini iz talijanskog DMAT-a, Michel Di Tommaso iz švicarskog Instituta za mehaniku materijala te James Weaver iz Harvardova Instituta Wyss za biološki nadahnuto inženjerstvo. Istraživanje je provedeno uz pomoć Arheološkog muzeja Priverno u Italiji.
Otvori KEKS Pay
