Stari Rimljani su bili majstori inženjeringa, konstruišući ogromne mreže puteva, akvadukta, luka i masivnih zgrada, čiji su ostaci preživeli dva milenijuma. Mnoge od ovih građevina izgrađene su od betona: čuveni rimski Panteon, koji ima najveću kupolu od neojačanog betona na svetu i koji je podignut 128. nove ere, još uvek je netaknut, a neki drevni rimski akvadukti i danas dostavljaju vodu u Rim. U međuvremenu, mnoge moderne betonske konstrukcije su se srušile nakon nekoliko decenija.
Istraživači su proveli decenije pokušavajući da otkriju tajnu ovog ultraizdržljivog drevnog građevinskog materijala, posebno u strukturama koje su izdržale posebno teške uslove, kao što su dokovi, kanalizacija i morski zidovi, ili one izgrađene na seizmički aktivnim lokacijama.
Sada je tim istraživača sa MIT-a, Univerziteta Harvard i laboratorija u Italiji i Švajcarskoj postigao napredak u ovoj oblasti, otkrivši drevne strategije proizvodnje betona koje su uključivale nekoliko ključnih funkcija samoizlečenja. Nalazi su objavljeni u časopisu Science Advances, u radu profesora građevinarstva i inženjerstva životne sredine na MIT-u Admira Mašića, bivše studentkinje doktorskih studija Linde Simor i još četvorice.
Dugi niz godina, istraživači su pretpostavljali da je ključ trajnosti drevnog betona bio zasnovan na jednom sastojku: pucolanskom materijalu kao što je vulkanski pepeo iz oblasti Pocuoli, u Napuljskom zalivu. Ova specifična vrsta pepela je čak isporučena širom ogromnog Rimskog carstva da bi se koristila u građevinarstvu, a arhitekte i istoričari su je u to vreme opisivali kao ključni sastojak betona.
Uz detaljnije ispitivanje, ovi drevni uzorci takođe sadrže male, karakteristične, milimetarske svetle bele mineralne karakteristike, koje su dugo bile prepoznate kao sveprisutna komponenta rimskih betona. Ovi beli komadi, koji se često nazivaju „klasama kreča“, potiču od kreča, još jedne ključne komponente drevne mešavine betona. „Od kada sam prvi put počeo da radim sa drevnim rimskim betonom, uvek sam bio fasciniran ovim karakteristikama“, kaže Mašić. „Oni se ne nalaze u savremenim betonskim formulacijama, pa zašto su onda prisutni u ovim drevnim materijalima?“
Ranije zanemarena kao samo dokaz neurednog mešanja ili sirovina lošeg kvaliteta, nova studija sugeriše da su ovi sitni krečnjaci dali betonu ranije neprepoznatu sposobnost samoizlečenja. Uvek mi je smetala ideja da se prisustvo ovih klasova kreča jednostavno pripisuje slaboj kontroli kvaliteta“, kaže Mašić. „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.“
Nakon dalje karakterizacije ovih klasova kreča, korišćenjem tehnika snimanja u više razmera visoke rezolucije i hemijskog mapiranja koje su bile pionirske u Masićevoj istraživačkoj laboratoriji, istraživači su stekli nove uvide u potencijalnu funkcionalnost ovih klasova kreča.
Istorijski gledano, pretpostavljalo se da kada je kreč ugrađen u rimski beton, prvo je kombinovan sa vodom da bi se formirao visoko reaktivan materijal sličan pasti, u procesu poznatom kao gašenje. Ali ovaj proces sam po sebi ne može objasniti prisustvo klasova kreča. Mašić se zapitao: „Da li je moguće da su Rimljani zapravo direktno koristili kreč u njegovom reaktivnijem obliku, poznatom kao živi kreč?“
Proučavajući uzorke ovog drevnog betona, on i njegov tim su utvrdili da su bele inkluzije zaista napravljene od različitih oblika kalcijum karbonata. A spektroskopsko ispitivanje je dalo naznake da su oni formirani na ekstremnim temperaturama, kao što bi se očekivalo od egzotermne reakcije proizvedene upotrebom živog kreča umesto, ili kao dodatak, gašenog kreča u smeši. Vruće mešanje, tim je sada zaključio, zapravo je bio ključ super-izdržljive prirode.
„Koristi toplog mešanja su dvostruke“, kaže 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.“
Tokom procesa vrućeg mešanja, klasovi kreča razvijaju karakteristično krhku arhitekturu nanočestica, stvarajući lako lomljiv i reaktivan izvor kalcijuma, koji bi, kako je tim predložio, mogao da obezbedi kritičnu funkciju samoizlečenja. Čim sitne pukotine počnu da se formiraju unutar betona, one mogu prvenstveno da putuju kroz klasu kreča velike površine. Ovaj materijal zatim može da reaguje sa vodom, stvarajući rastvor zasićen kalcijumom, koji može da se rekristališe kao kalcijum karbonat i brzo popuni pukotinu, ili da reaguje sa pucolanskim materijalima kako bi dodatno ojačao kompozitni materijal. Ove reakcije se dešavaju spontano i stoga automatski zaceljuju pukotine pre nego što se šire. Prethodna podrška ovoj hipotezi pronađena je ispitivanjem drugih rimskih uzoraka betona koji su pokazivali pukotine ispunjene kalcitom.
Da bi dokazao da je to zaista bio mehanizam odgovoran za izdržljivost rimskog betona, tim je proizveo uzorke vruće mešanog betona koji su uključivali i drevne i moderne formulacije, namerno ih napukli, a zatim propuštali vodu kroz pukotine. Naravno: u roku od dve nedelje pukotine su potpuno zarasle i voda više nije mogla da teče. Identični komad betona napravljen bez živog kreča nikada nije zacelio, a voda je samo nastavila da teče kroz uzorak. Kao rezultat ovih uspešnih testova, tim radi na komercijalizaciji ovog modifikovanog cementnog materijala.
„Uzbudljivo je razmišljati o tome kako bi ove trajnije betonske formulacije mogle da produže ne samo vek trajanja ovih materijala, već i kako bi mogle da poboljšaju trajnost 3D štampanih betonskih formulacija“, kaže Mašić.
Kroz produženi funkcionalni vek i razvoj lakših betonskih formi, on se nada da bi ovi napori mogli pomoći u smanjenju uticaja proizvodnje cementa na životnu sredinu, koja trenutno čini oko 8% globalnih emisija gasova staklene bašte. Zajedno sa drugim novim formulacijama, kao što je beton koji zaista može da apsorbuje ugljen-dioksid iz vazduha, što je još jedan trenutni fokus istraživanja laboratorije Masic, ova poboljšanja mogu pomoći da se smanji globalni uticaj betona na klimu.
