Stari Rimljani su bili majstori građevinarstva i inženjeringa, možda najpoznatiji akvadukti. A ta još uvek funkcionalna čuda se oslanjaju na jedinstveni građevinski materijal: pucolanski beton, spektakularno izdržljiv beton koji je rimskim strukturama dao neverovatnu snagu.
Čak i danas, jedna od njihovih građevina – Panteon, još uvek netaknut i star skoro 2.000 godina – drži rekord za najveću kupolu na svetu od nearmiranog betona.
Osobine ovog betona se uglavnom pripisuju njegovim sastojcima: pucolani, mešavini vulkanskog pepela – nazvanom po italijanskom gradu Pocuoli, gde se može naći značajno njegovo ležište – i kreča. Kada se pomešaju sa vodom, ova dva materijala mogu reagovati i proizvesti jak beton.
Ali to, kako se ispostavilo, nije cela priča. Godine 2023., međunarodni tim istraživača predvođen Masačusetskim institutom za tehnologiju (MIT) otkrio je da ne samo da su materijali malo drugačiji od onoga što smo možda mislili, već su i tehnike korišćene za njihovo mešanje takođe različite.
Puške koje se puše bile su male, bele komadiće kreča koji se mogu naći u, inače, dobro izmešanom betonu. Prisustvo ovih komada se ranije pripisivalo lošem mešanju ili materijalima, ali to nije imalo smisla naučniku za materijale Admiru Mašiću sa MIT-a.
„Uvek mi je smetala ideja da se prisustvo ovih klasova kreča jednostavno pripisuje slaboj kontroli kvaliteta“, rekao je Mašić još januara 2023. godine.
„Ako su Rimljani uložili toliko truda da naprave izvanredan građevinski materijal, prateći sve detaljne recepte koje su optimizovane tokom mnogo vekova, zašto bi uložili tako malo truda da obezbede proizvodnju dobro mešanog finalnog proizvoda ? U ovoj priči mora biti više.“
Mašić i tim, na čelu sa građevinskim inženjerom MIT-a Lindom Simor, pažljivo su proučavali uzorke rimskog betona stare 2.000 godina sa arheološkog nalazišta Privernum u Italiji. Ovi uzorci su podvrgnuti skenirajućoj elektronskoj mikroskopiji velike površine i energetski disperzivnoj rendgenskoj spektroskopiji, difrakciji rendgenskih zraka na prahu i konfokalnom Ramanovom snimanju kako bi se bolje razumeli klasovi kreča.
Jedno od pitanja na umu bila je priroda korišćenog kreča. Standardno shvatanje pucolanskog betona je da koristi gašeni kreč. Prvo, krečnjak se zagreva na visokim temperaturama da bi se dobio visoko reaktivni kaustični prah koji se zove živi kreč ili kalcijum oksid.
Mešanjem živog kreča sa vodom nastaje gašeni kreč ili kalcijum hidroksid: nešto manje reaktivna, manje kaustična pasta. Prema teoriji, to je gašeni kreč koji su stari Rimljani pomešali sa pucolanom.
Na osnovu analize tima, klasovi kreča u njihovim uzorcima nisu u skladu sa ovom metodom. Tačnije, rimski beton je verovatno napravljen mešanjem živog kreča direktno sa pucolanom i vodom na ekstremno visokim temperaturama, sam ili pored gašenog kreča, proces koji tim naziva „vruće mešanje“ koji dovodi do klasova kreča.
„Koristi toplog mešanja su dvostruke“, rekao je Mašić.
„Prvo, kada se ceo beton zagreje na visoke temperature, to omogućava hemikalije koje nisu moguće ako koristite samo gašeno kreč, proizvodeći jedinjenja povezana sa visokom temperaturom koja se inače ne bi formirala. Drugo, ova povećana temperatura značajno smanjuje očvršćavanje i vezivanje. puta jer su sve reakcije ubrzane, što omogućava mnogo bržu izgradnju.“
I ima još jednu prednost: klasovi kreča daju betonu izuzetne sposobnosti samoizlečenja.
Kada se u betonu formiraju pukotine, one prvenstveno putuju do klasova kreča, koji imaju veću površinu od drugih čestica u matrici. Kada voda uđe u pukotinu, ona reaguje sa krečom i formira rastvor bogat kalcijumom koji se suši i stvrdnjava kao kalcijum karbonat, lepeći pukotinu i sprečavajući je da se dalje širi.
Ovo je primećeno u betonu sa drugog mesta starog 2.000 godina, grobnice Cecilije Metele, gde su pukotine u betonu popunjene kalcitom. To bi takođe moglo da objasni zašto je rimski beton sa morskih zidova izgrađenih pre 2.000 godina preživeo netaknut milenijumima uprkos stalnom udaru okeana.
Dakle, tim je testirao svoje nalaze praveći pucolanski beton od drevnih i modernih recepata koristeći živi kreč. Napravili su i kontrolni beton bez živog kreča i izvršili ispitivanje na pucanje. Naravno, napukli beton od živog kreča je potpuno zalečio u roku od dve nedelje, ali kontrolni beton je ostao napukao.
Tim sada radi na komercijalizaciji svog betona kao ekološki prihvatljivije alternative postojećim betonima.
„Uzbudljivo je razmišljati o tome kako bi ove trajnije formulacije betona mogle da produže ne samo vek trajanja ovih materijala, već i kako bi mogle da poboljšaju trajnost 3D štampanih betonskih formulacija“, rekao je Mašić.
