Az ókori rómaiak mesteri mérnökök voltak. Ezen tudásukat leghíresebben talán a mai napig működő vízvezetékhálózatok képviselik. És ezek az építészeti csodák egy egyedi építőanyagon alapulnak: a pozzolan betonon, egy elképesztően tartós anyagon, amely a római építmények hihetetlen erejét adta.

Egyik építményük, a sértetlen szerkezetű, közel 2,000 éves Pantheon mai napig tartja a legnagyobb, vasszerkezet nélküli, kizárólag betonból készült kupolájának rekordját.

Ennek a betonnak a tulajdonságait általában az összetevőinek tulajdonítják: a pozzolannak, a vulkáni hamunak – amely az olaszországi Pozzuoli városról kapta a nevét, ahol jelentős lelőhely található – és mész keverékének. Vízzel keverve a két anyag reakcióba lép, és erős beton keletkezik.

De mint kiderült, ez nem a teljes igazság. A Massachusetts Institute of Technology (MIT) által vezetett nemzetközi kutatócsoport megállapította, hogy nemcsak az anyagok különböznek némileg a korábban feltételezettől, hanem a keverésük technikája is.

A bizonyítékok apró, fehér mészdarabok voltak, amelyek az egyébként jól összekevert betonban találhatók. Ezeknek a daraboknak a jelenlétét korábban a rossz keverésnek, vagy az anyagoknak tulajdonították, de ennek nem volt értelme Admir Masic, az MIT anyagtudósa számára.

"Mindig zavart az a gondolat, hogy ezeknek a mészkőtörmelékeknek a jelenlétét egyszerűen az alacsony minőségű kivitelezésnek tulajdonítják" - mondta Masic egy 2023. januári nyilatkozatában.

"Ha a rómaiak annyi erőfeszítést tettek egy kiváló építőanyag elkészítésére az évszázadok során optimalizált részletes receptúrák alapján, miért fektettek olyan kevés munkát a jól kevert végtermék előállításába? Többnek kell lennie ebben a történetben."

Masic és a csapat az MIT építőmérnöke, Linda Seymour vezetésével gondosan tanulmányozta az olaszországi Privernum régészeti lelőhelyéről származó 2,000 éves római betonmintákat. Ezeket a mintákat nagy felületű pásztázó elektronmikroszkópiának és energiadiszperzív röntgenspektroszkópiának, por röntgendiffrakciónak és konfokális Raman képalkotásnak vetették alá, hogy jobban megértsék a mészklasztokat.

Az egyik kérdés a felhasznált mész jellege volt. A pozzolan beton vizsgálatának általános eredménye szerint oltott meszet használ. Először is, a mészkövet magas hőmérsékleten hevítik, és így rendkívül reakcióképes maróport állítanak elő, amelyet égetett mésznek vagy kalcium-oxidnak neveznek.

Az égetett meszet vízzel keverve oltott meszet, vagy kalcium-hidroxidot kapunk: valamivel kevésbé reakcióképes, kevésbé maró pasztát. Az elmélet szerint az ókori rómaiak ezt az oltott meszet keverték a pozzolannal.

A csoport elemzése alapján a mintáikban lévő mészklasztok nem feleltek meg ennek a módszernek. A római beton valószínűleg úgy készült, hogy az égetett meszet közvetlenül a pozzolannal és vízzel rendkívül magas hőmérsékleten, önmagában vagy az oltott mész mellett keverték össze. Ezt a folyamatot a csapat "forró keverésnek" nevezi, ami mészlerakódásokat eredményez.

"A forró keverésnek kettő előnyös tulajdonsága is van" - mondta Masic.

"Először is, ha a teljes betont magas hőmérsékletre hevítik, az olyan kémiai folyamatokat tesz lehetővé, amelyek nem lehetségesek, ha csak oltott meszet használnak, ezen kívül magas hőmérséklettel kapcsolatos vegyületeket állítanak elő, amelyek egyébként nem képződnének. Másodszor, ez a megnövekedett hőmérséklet jelentősen csökkenti a kikeményedési és kötési időt, mivel az összes reakció felgyorsul, ami sokkal gyorsabb kötést tesz lehetővé."

És e módszernek van még egy előnye: a mészkődarabkák figyelemre méltó öngyógyító képességet adnak a betonnak.

Amikor repedések keletkeznek a betonban, azok elsősorban a mészklasztokhoz jutnak el, amelyek nagyobb felülettel rendelkeznek, mint a mátrix többi részecskéje. Amikor víz kerül a repedésbe, az reakcióba lép a mésszel, és kalciumban gazdag oldatot képez, amely kalcium-karbonátként kiszárad és megkeményedik, visszaragasztja a repedést, és megakadályozza annak további terjedését.

Ezt egy másik 2,000 éves lelőhelyről, a Caecilia Metella sírjából származó betonnál is megfigyelték, ahol a beton repedéseit kalcit töltötte ki. Ez megmagyarázhatja azt is, hogy a 2,000 évvel ezelőtt épült tengerparti római falak betonja miért maradt fenn évezredeken át érintetlenül, az óceán folyamatos eróziója ellenére.

Ezek után a tudóscsoport tesztek alá vetette felfedezéseit. Ősi és modern receptek alapján pozzolan betont készítettek égetett mész felhasználásával. Készítettek égetett mész nélküli kontrollbetont és repedésvizsgálatokat is végeztek. Az eredmények szerint a repedezett égetett mészbeton két hét alatt teljesen "meggyógyult", de a kontrollbeton repedt maradt.

A csapat most azon dolgozik, hogy ezen betont a jelenlegi betonok környezetbarátabb alternatívájaként kereskedelmi forgalomba hozza.

"Izgalmas a gondolat, hogy ezek a tartósabb betonkészítmények nem csak ezen anyagok élettartamát növelhetik meg, hanem azt is, hogy javíthatják a 3D-nyomtatott betonkészítmények tartósságát" - mondta Masic.

forrás: science.org