Starożytni Rzymianie byli mistrzami inżynierii, budując rozległe sieci dróg, akweduktów, portów i masywnych budowli, których pozostałości przetrwały dwa tysiąclecia. Wiele z tych struktur zostało zbudowanych z betonu: słynny rzymski Panteon, który ma największą na świecie niezbrojoną betonową kopułę i został poświęcony w 128 rne, jest nadal nienaruszony, a niektóre starożytne rzymskie akwedukty nadal dostarczają wodę do Rzymu. Tymczasem wiele nowoczesnych konstrukcji betonowych rozpadło się po kilku dekadach.
Naukowcy spędzili dziesięciolecia próbując odkryć tajemnicę tego ultrawytrzymałego starożytnego materiału budowlanego, szczególnie w konstrukcjach, które przetrwały szczególnie trudne warunki, takie jak doki, kanały ściekowe i falochrony, lub te zbudowane w miejscach aktywnych sejsmicznie.
Teraz zespół badaczy z MIT, Uniwersytetu Harvarda oraz laboratoriów we Włoszech i Szwajcarii poczynił postępy w tej dziedzinie, odkrywając starożytne strategie wytwarzania betonu, które obejmowały kilka kluczowych funkcji samoleczenia. Odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances, w artykule profesora inżynierii lądowej i środowiskowej MIT Admir Masic, byłej doktorantki Lindy Seymour i czterech innych.
Przez wiele lat badacze zakładali, że kluczem do trwałości starożytnego betonu był jeden składnik: materiał pucolanowy, jakim jest popiół wulkaniczny z okolic Pozzuoli nad Zatoką Neapolitańską. Ten specyficzny rodzaj popiołu był nawet transportowany po całym rozległym imperium rzymskim w celu wykorzystania go w budownictwie i został opisany jako kluczowy składnik betonu w relacjach architektów i historyków tamtych czasów.
Po bliższym zbadaniu te starożytne próbki zawierają również małe, charakterystyczne, jasnobiałe minerały w skali milimetrowej, które od dawna uznawane są za wszechobecny składnik rzymskich betonów. Te białe bryłki, często określane jako „klasty wapienne”, pochodzą z wapna, innego kluczowego składnika starożytnej mieszanki betonowej. „Odkąd zacząłem pracować ze starożytnym rzymskim betonem, zawsze fascynowały mnie te cechy” – mówi Masic. „Nie można ich znaleźć w nowoczesnych recepturach betonu, więc dlaczego są obecne w tych starożytnych materiałach?”
Wcześniej lekceważone jako dowód niedbałego mieszania lub niskiej jakości surowców, nowe badanie sugeruje, że te maleńkie okruchy wapienne nadały betonowi wcześniej nierozpoznaną zdolność samoleczenia. „Pomysł, że obecność tych klastów wapna była po prostu przypisywana niskiej kontroli jakości, zawsze mnie niepokoił” – mówi Masic. „Jeśli Rzymianie włożyli tyle wysiłku w stworzenie wyjątkowego materiału budowlanego, stosując wszystkie szczegółowe receptury, które były optymalizowane przez wiele stuleci, dlaczego mieliby wkładać tak mało wysiłku w zapewnienie produkcji dobrze wymieszanego produktu końcowego? ? W tej historii musi być coś więcej.
Po dalszym scharakteryzowaniu tych klastów wapiennych, przy użyciu wieloskalowego obrazowania o wysokiej rozdzielczości i technik mapowania chemicznego, których pionierem było laboratorium badawcze Masica, naukowcy uzyskali nowy wgląd w potencjalną funkcjonalność tych klastów wapiennych.
Historycznie zakładano, że kiedy wapno było wprowadzane do rzymskiego betonu, najpierw łączyło się je z wodą, tworząc wysoce reaktywny materiał przypominający pastę, w procesie zwanym gaszeniem. Ale sam ten proces nie mógł wyjaśnić obecności klastów wapiennych. Masic zastanawiał się: „Czy to możliwe, że Rzymianie faktycznie bezpośrednio używali wapna w jego bardziej reaktywnej formie, znanej jako wapno palone?”
Badając próbki tego starożytnego betonu, on i jego zespół ustalili, że białe inkluzje rzeczywiście były wykonane z różnych form węglanu wapnia. A badanie spektroskopowe dostarczyło wskazówek, że powstały one w ekstremalnych temperaturach, jak można by oczekiwać na podstawie reakcji egzotermicznej wywołanej użyciem wapna palonego zamiast lub oprócz wapna gaszonego w mieszance. Zespół doszedł do wniosku, że mieszanie na gorąco było w rzeczywistości kluczem do supertrwałości.
„Korzyści z mieszania na gorąco są dwojakie” – mówi Masic. „Po pierwsze, gdy cały beton jest podgrzewany do wysokich temperatur, pozwala na chemię, która nie byłaby możliwa, gdyby użyto tylko wapna gaszonego, wytwarzając związki związane z wysoką temperaturą, które inaczej by się nie utworzyły. Po drugie, ta podwyższona temperatura znacznie zmniejsza utwardzanie i wiązanie razy, ponieważ wszystkie reakcje są przyspieszane, co pozwala na znacznie szybszą budowę”.
Podczas procesu mieszania na gorąco klasty wapienne rozwijają charakterystycznie kruchą strukturę nanocząstek, tworząc łatwo pękające i reaktywne źródło wapnia, które zgodnie z propozycją zespołu może zapewnić krytyczną funkcję samoleczenia. Gdy tylko w betonie zaczną tworzyć się drobne pęknięcia, mogą one preferencyjnie przedostać się przez skupiska wapienne o dużej powierzchni. Materiał ten może następnie reagować z wodą, tworząc roztwór nasycony wapniem, który może rekrystalizować jako węglan wapnia i szybko wypełniać pęknięcie lub reagować z materiałami pucolanowymi w celu dalszego wzmocnienia materiału kompozytowego. Reakcje te zachodzą spontanicznie i dlatego automatycznie leczą pęknięcia, zanim się rozprzestrzenią. Wcześniejsze poparcie dla tej hipotezy zostało znalezione podczas badania innych rzymskich próbek betonu, które wykazywały pęknięcia wypełnione kalcytem.
Aby udowodnić, że był to rzeczywiście mechanizm odpowiedzialny za trwałość rzymskiego betonu, zespół stworzył próbki betonu mieszanego na gorąco, który zawierał zarówno starożytne, jak i współczesne receptury, celowo je spękał, a następnie przepuścił wodę przez pęknięcia. Rzeczywiście: w ciągu dwóch tygodni pęknięcia całkowicie się zagoiły i woda nie mogła już płynąć. Identyczny kawałek betonu wykonany bez wapna palonego nigdy się nie zagoił, a woda po prostu przepływała przez próbkę. W wyniku tych udanych testów zespół pracuje nad komercjalizacją tego zmodyfikowanego cementu.
„To ekscytujące myśleć o tym, jak te bardziej trwałe preparaty betonowe mogą wydłużyć nie tylko żywotność tych materiałów, ale także jak mogą poprawić trwałość preparatów betonowych wydrukowanych w 3D” – mówi Masic.
Ma nadzieję, że dzięki wydłużeniu żywotności i opracowaniu lżejszych form betonowych wysiłki te pomogą zmniejszyć wpływ produkcji cementu na środowisko, która obecnie odpowiada za około 8 procent globalnej emisji gazów cieplarnianych. Wraz z innymi nowymi formułami, takimi jak beton, który faktycznie może pochłaniać dwutlenek węgla z powietrza, kolejny obecny przedmiot badań laboratorium Masic, te ulepszenia mogą pomóc zmniejszyć globalny wpływ betonu na klimat.
W skład zespołu badawczego weszli Janille Maragh z MIT, Paolo Sabatini z DMAT we Włoszech, Michel Di Tommaso z Instituto Meccanica dei Materiali w Szwajcarii oraz James Weaver z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Uniwersytecie Harvarda. Prace przeprowadzono przy pomocy muzeum archeologicznego w Priverno we Włoszech.