De ce era betonul roman atât de durabil? Cercetătorii au descifrat misterul

Vechii romani au fost maeștri ai ingineriei, construind rețele vaste de drumuri, apeducte, porturi și clădiri masive, ale căror rămășițe au rezistat timp de două milenii. Secretul lor? Betonul.

Multe dintre aceste structuri au fost construite din beton: faimosul Panteon din Roma, care are cel mai mare dom din beton nearmat din lume și a fost realizat în anul 128 d.Hr., este încă intact, iar unele apeducte romane antice încă furnizează în Roma de astăzi. Între timp, multe structuri moderne din beton s-au prăbușit după câteva decenii.

Cercetătorii și-au petrecut zeci de ani încercând să descopere secretul acestui material de construcție antic ultradurabil, în special în structurile care au rezistat în condiții deosebit de dure, cum ar fi docuri, canalizări și diguri sau cele construite în locații active din punct de vedere seismic.

Ce conține, de fapt, betonul roman?

Acum, o echipă de investigatori de la MIT, Universitatea Harvard, ambele din SUA, și laboratoare din Italia și Elveția, a făcut progrese în acest domeniu, descoperind strategii străvechi de fabricare a betonului care au încorporat mai multe funcționalități cheie de auto-vindecare. Descoperirile sunt publicate în revista Science Advances, într-o lucrare a profesorului MIT de inginerie civilă și de mediu Admir Masic, a fostei doctorande Linda Seymour și alți patru cercetători.

Timp de mulți ani, cercetătorii au presupus că cheia durabilității betonului antic s-a bazat pe un anume ingredient: materialul puzzolanic, cum ar fi cenușa vulcanică din zona Pozzuoli, din Golful Napoli. Acest tip specific de cenușă a fost chiar expediat în întregul imperiu roman pentru a fi folosit în construcții și a fost descris ca un ingredient cheie pentru betonul roman în înregistrările arhitecților și ale istoricilor din acea vreme.

Sub o examinare mai atentă, aceste eșantioane antice conțin, de asemenea, caracteristici minerale albe strălucitoare, mici, distinctive, la scară milimetrică, care au fost recunoscute de mult timp ca o componentă omniprezentă a betoanelor romane.

Aceste bucăți albe, denumite adesea „claste de var”, provin din var, o altă componentă cheie a amestecului antic de beton. „De când am început să lucrez cu betonul antic, am fost întotdeauna fascinat de aceste caracteristici. Acestea nu se găsesc în formulele moderne de beton, deci de ce sunt prezente în aceste materiale antice?”, spune Masic.

Secretul romanilor în ceea ce privește fabricarea betonului

Socotite anterior drept doar o dovadă a practicilor neglijente de amestecare sau a materiilor prime de proastă calitate, noul studiu sugerează că aceste mici claste de var i-au oferit betonului o capacitate de auto-vindecare nerecunoscută anterior.

„Ideea că prezența acestor claste de var a fost pur și simplu atribuită unui control al calității scăzut m-a deranjat întotdeauna”, spune Masic.

„Dacă romanii depun atât de mult efort pentru a realiza un material de construcție remarcabil, urmând toate rețetele detaliate care au fost optimizate de-a lungul multor secole, de ce ar depune atât de puțin efort pentru a asigura producerea unui produs final bine amestecat? Alta trebuie să fie explicație”, declară el.

De ce conținea var betonul roman?

După caracterizarea ulterioară a acestor claste de var, utilizând imagini de înaltă rezoluție și tehnici de cartografiere chimică inițiate în laboratorul de cercetare al lui Masic, cercetătorii au obținut noi perspective asupra funcționalității lor potențiale.

Din punct de vedere istoric, s-a presupus că atunci când varul a fost încorporat în betonul roman, acesta a fost mai întâi combinat cu apă pentru a forma un material foarte reactiv asemănător unei paste, într-un proces cunoscut sub numele de stingere. Dar prezența clastelor de var nu poate fi explicată doar prin acest proces. „Era posibil ca romanii să fi folosit efectiv varul în forma sa mai reactivă, cunoscută sub numele de var nestins?”, s-a întrebat Masic.

Studiind mostre din betonul roman antic, el și echipa sa au stabilit că incluziunile albe erau, într-adevăr, făcute din diferite forme de carbonat de calciu. Și examinarea spectroscopică a oferit indicii că acestea s-au format la temperaturi extreme, așa cum era de așteptat din reacția exotermă produsă prin utilizarea varului nestins în locul sau în plus față de varul stins din amestec.

Amestecarea la cald, a concluzionat acum echipa, a fost de fapt cheia naturii super-durabile, notează Eurek Alert.

„Beneficiile amestecării la cald sunt duble”, spune Masic.

„În primul rând, atunci când betonul este încălzit la temperaturi ridicate, permite reacții chimice care nu sunt posibile dacă este folosit doar var stins, producând compuși asociați la temperaturi înalte care altfel nu s-ar forma. În al doilea rând, această temperatură crescută reduce semnificativ timpul de întărire și de priză, deoarece toate reacțiile sunt accelerate, permițând o construcție mult mai rapidă”, explică cercetătorul.

Cum funcționează abordarea romană?

În timpul procesului de amestecare la cald, clastele de var dezvoltă o arhitectură nanoparticulată caracteristic fragilă, creând o sursă de calciu ușor de fracturat și reactiv, care, așa cum a propus echipa, ar putea oferi o funcționalitate critică de auto-vindecare.

De îndată ce fisuri mici încep să se formeze în beton, ele călătoresc preferințial prin clastele de var cu suprafață mare. Acest material poate reacționa apoi cu apa, creând o soluție saturată de calciu, care se poate recristaliza sub formă de carbonat de calciu și poate umple rapid fisura sau poate reacționa cu materialele puzzolanice pentru a întări și mai mult materialul compozit.

Aceste reacții au loc spontan și, prin urmare, vindecă automat fisurile din betonul roman înainte ca acestea să se răspândească. Sprijinul anterior pentru această ipoteză a fost găsit prin examinarea altor probe romane de beton care prezentau fisuri umplute cu calcit.

Cercetătorii au recreat betonul roman în laborator

Pentru a demonstra că acesta a fost într-adevăr mecanismul responsabil pentru durabilitatea betonului roman, echipa a produs mostre de beton amestecat la cald care au încorporat atât formulări antice cât și moderne, le-a fisurat în mod deliberat și apoi a trecut apă prin fisuri.

În două săptămâni, crăpăturile s-au vindecat complet și apa nu a mai putut curge. O bucată identică de beton făcută fără var neted nu s-a vindecat niciodată, iar apa a continuat să curgă prin eșantion. Ca rezultat al acestor teste de succes, echipa lucrează la comercializarea acestui material de ciment modificat.

Un studiu care ar putea schimba materialele de construcții

„Este interesant să ne gândim la modul în care aceste formulări de beton mai durabile ar putea extinde nu numai durata de viață a acestor materiale, ci și cum ar putea îmbunătăți durabilitatea formulărilor de beton imprimate 3D”, spune Masic.

Prin durata de viață funcțională extinsă și dezvoltarea formelor de beton mai ușoare, el speră că această muncă ar putea contribui la reducerea impactului producției de ciment asupra mediului, care reprezintă în prezent aproximativ 8% din emisiile globale de gaze cu efect de seră.

Alături de alte formulări noi, cum ar fi betonul care poate absorbi dioxidul de carbon din aer, un alt obiectiv de cercetare actual al laboratorului Masic, aceste îmbunătățiri ar putea contribui la reducerea impactului climatic global al betonului.

Vă recomandăm să citiți și:

Un nou sistem de răcire fără energie electrică

Cercetătorii au creat un nou tip de frigider, mai prietenos cu mediul

Un nou filtru de microplastice are o eficiență de 99%

Cartelele SIM reciclate ar putea fi utile în producția de medicamente