A fost rezolvat secretul betonului roman. Motivul pentru care elementul a rezistat timp de mii de ani
Cercetătorii au petrecut zeci de ani încercând să rezolve secretul acestui material de construcție ultrarezistent, care a supraviețuit elementelor timp de mii de ani și, în unele cazuri, în condiții extrem de dure, acolo unde echivalentul nostru modern s-ar fi prăbușit și s-ar fi crăpat după doar câteva decenii.
Anterior se credea că un motiv al durabilității betonului roman era introducerea cenușii puzzolanice, un material natural silicios sau silicio-aluminos care reacționează cu hidroxidul de calciu în prezența apei la temperatura camerei.
În această reacție, se formează compuși insolubili de silicat de calciu hidratat și de aluminat de calciu hidratat, care posedă proprietăți de ciment. Cenușa a fost trimisă în tot Imperiul Roman pentru construcții și a fost chiar descrisă ca ingredient cheie pentru beton în relatările arhitecților și istoricilor romani contemporani.
O examinare mai atentă a probelor antice arată caracteristici minerale albe denumite „claste de var”, o altă componentă cheie în amestecul de beton.
„Încă de când am început să lucrez cu betonul roman antic, am fost mereu fascinat de aceste caracteristici”, spune profesorul de inginerie civilă și de mediu de la MIT, Admir Masic. „Acestea nu se regăsesc în formulările moderne de beton, deci de ce sunt prezente în aceste materiale antice?”.
Folosind tehnici de imagistică multiscale de înaltă rezoluție și tehnici de cartografiere chimică, cercetătorii au stabilit că incluziunile albe erau, într-adevăr, alcătuite din diferite forme de carbonat de calciu.
O examinare spectroscopică a oferit indicii că acestea s-au format la temperaturi extreme, așa cum ar fi fost de așteptat în urma reacției exotermice produse de utilizarea varului viu în locul sau în plus față de varul stins din amestec. Amestecul la cald, a concluzionat acum echipa, a fost, de fapt, cheia naturii super-durabile.
„Beneficiile amestecului la cald sunt duble”, spune Masic. „În primul rând, atunci când betonul în ansamblu este încălzit la temperaturi ridicate, acesta permite chimii care nu sunt posibile dacă ați folosi doar var stins, producând compuși asociați cu temperaturi ridicate care altfel nu s-ar forma. În al doilea rând, această temperatură crescută reduce semnificativ timpii de întărire și de priză, deoarece toate reacțiile sunt accelerate, permițând o construcție mult mai rapidă.”
Procesul explicat de specialiști
În timpul procesului de amestecare la cald, cioburile de var dezvoltă o arhitectură nanoparticulară fragilă caracteristică, creând o sursă de calciu ușor de fracturat și reactiv, care, așa cum a propus echipa, ar putea oferi o funcționalitate critică de autovindecare.
De îndată ce încep să se formeze mici fisuri în beton, acestea se pot deplasa în mod preferențial prin claste 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 materiale pozzolanice pentru a consolida și mai mult materialul compozit. Aceste reacții au loc în mod spontan și, prin urmare, vindecă automat fisurile înainte ca acestea să se extindă. Un sprijin anterior pentru această ipoteză a fost găsit prin examinarea altor mostre de beton roman care prezentau fisuri umplute cu calcit.
Pentru a dovedi că acesta era într-adevăr mecanismul responsabil pentru durabilitatea betonului roman, echipa a produs mostre de beton amestecat la cald care încorporau atât formulări antice, cât și moderne, le-a fisurat în mod deliberat și apoi a făcut să curgă apă prin fisuri. În mod sigur: În decurs de două săptămâni, fisurile s-au vindecat complet și apa nu a mai putut curge. O bucată identică de beton fabricat fără var viu nu s-a vindecat niciodată, iar apa a continuat să curgă prin probă. Ca urmare a acestor teste de succes, echipa lucrează la comercializarea acestui material de ciment modificat.
„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 la modul în care ar putea îmbunătăți durabilitatea formulărilor de beton tipărite 3D”, spune Masic.
Prin prelungirea duratei de viață funcțională și prin dezvoltarea unor forme de beton mai ușoare, el speră că aceste eforturi ar putea contribui la reducerea impactului asupra mediului al producției de ciment, care în prezent reprezintă aproximativ 8 % din emisiile globale de gaze cu efect de seră. Împreună cu alte formulări noi, cum ar fi betonul care poate absorbi efectiv dioxidul de carbon din aer, un alt obiectiv actual de cercetare al laboratorului lui Masic, aceste îmbunătățiri ar putea contribui la reducerea impactului global al betonului asupra climei.
Din echipa de cercetare au făcut parte Janille Maragh de la MIT, Paolo Sabatini de la DMAT din Italia, Michel Di Tommaso de la Instituto Meccanica dei Materiali din Elveția și James Weaver de la Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de la Universitatea Harvard. Lucrarea a fost realizată cu ajutorul Muzeului Arheologic din Priverno, Italia, după cum menționează site-ul Heritage Daily.
