Stari Rimljani bili su majstori gradnje i inženjerstva, a možda najpoznatiji primjeri su akvadukti. A ta još uvijek funkcionalna čuda oslanjaju se na jedinstveni građevinski materijal: pucolanski beton, spektakularno izdržljiv beton koji je rimskim građevinama dao nevjerovatnu čvrstoću.
Čak i danas, jedna od njihovih građevina – Panteon, još uvijek netaknut i star gotovo 2000 godina – drži rekord za najveću svjetsku kupolu od nearmiranog betona.
Svojstva ovog betona općenito se pripisuju njegovim sastojcima: pucolani, mješavini vulkanskog pepela – nazvanog po italijanskom gradu Pozzuoli, gdje se mogu pronaći značajne naslage – i vapnu. Kada se pomiješaju s vodom, dva materijala mogu reagirati i proizvesti čvrsti beton.
No, ispostavilo se da to nije cijela priča. Godine 2023. međunarodni tim istraživača predvođen Massachusetts Institute of Technology (MIT) otkrio je da se materijali ne samo malo razlikuju od onoga što smo možda mislili, već su se i tehnike korištene za njihovo miješanje razlikovale.
Dimeći se topovi bili su mali, bijeli komadići vapna koji se mogu pronaći u onome što se čini kao inače dobro izmiješani beton. Prisutnost tih komadića prethodno se pripisivala lošem miješanju ili materijalima, ali to nije imalo smisla naučniku za materijale Admiru Mašiću s MIT-a, inače porijeklom iz BiH.
"Ideja da je prisutnost ovih vapnenačkih klastica jednostavno posljedica niske kontrole kvalitete uvijek me smetala“, rekao je Mašić u januaru 2023.
„Ako su Rimljani uložili toliko truda u izradu izvanrednog građevinskog materijala, slijedeći sve detaljne recepte koji su optimizirani tokom mnogih stoljeća, zašto bi uložili tako malo truda u osiguravanje proizvodnje dobro izmiješanog konačnog proizvoda? U ovoj priči mora biti nešto više.“
Mašić i tim, predvođeni građevinskom inženjerkom s MIT-a Lindom Seymour, pažljivo su proučili 2000 godina stare uzorke rimskog betona s arheološkog nalazišta Privernum u Italiji.
Ovi uzorci su podvrgnuti skenirajućoj elektronskoj mikroskopiji velikog područja, energetski disperzivnoj rendgenskoj spektroskopiji, rendgenskoj difrakciji praha i konfokalnom Ramanovom snimanju kako bi se bolje razumjeli klasti vapnenca.
Jedno od pitanja koje smo imali na umu bila je priroda korištenog vapna. Standardno shvaćanje pucolanskog betona je da se za njega koristi gašeno vapno. Prvo se vapnenac zagrijava na visokim temperaturama kako bi se dobio visoko reaktivni kaustični prah nazvan živo vapno ili kalcijev oksid.
Miješanjem živog vapna s vodom dobiva se gašeno vapno ili kalcijev hidroksid: nešto manje reaktivna, manje kaustična pasta. Prema teoriji, upravo su to gašeno vapno stari Rimljani miješali s pucolanama.
Na temelju analize tima, vapneni klasti u njihovim uzorcima nisu u skladu s ovom metodom. Umjesto toga, rimski beton vjerojatno je napravljen miješanjem živog vapna izravno s pucolanama i vodom na izuzetno visokim temperaturama, samostalno ili uz gašeno vapno, proces koji tim naziva "vruće miješanje" koji rezultira vapnenim klastima.
"Prednosti vrućeg miješanja su dvostruke“, rekao je Mašić.
"Prvo, kada se cijeli beton zagrije na visoke temperature, to omogućuje kemijske reakcije koje nisu moguće ako se koristi samo gašeno vapno, stvarajući spojeve povezane s visokom temperaturom koji se inače ne bi formirali. Drugo, ova povećana temperatura značajno smanjuje vrijeme sušenja i vezanja jer se sve reakcije ubrzavaju, što omogućuje puno bržu gradnju.“
I ima još jednu prednost: vapnenački klasti daju betonu izvanredne sposobnosti samoobnavljanja.
Kada se u betonu formiraju pukotine, one se prvenstveno šire prema klastima vapna, koji imaju veću površinu od ostalih čestica u matrici. Kada voda uđe u pukotinu, reagira s vapnom i stvara otopinu bogatu kalcijem koja se suši i stvrdnjava kao kalcijev karbonat, lijepeći pukotinu natrag i sprječavajući njezino daljnje širenje.
To je uočeno u betonu s drugog 2000 godina starog nalazišta, grobnice Cecilije Metele, gdje su pukotine u betonu ispunjene kalcitom. To bi također moglo objasniti zašto je rimski beton s morskih zidova izgrađenih prije 2000 godina preživio netaknut tisućljećima unatoč stalnom udaru oceana.
Dakle, tim je testirao svoje nalaze izrađujući pucolanski beton od drevnih i modernih recepata koristeći živo vapno. Također su napravili kontrolni beton bez živog vapna i proveli ispitivanja pukotina. Doista, napuknuti beton od živog vapna potpuno je zacijelio u roku od dva tjedna, ali kontrolni beton je ostao napuknut.
Tim sada radi na komercijalizaciji svog betona kao ekološki prihvatljivije alternative trenutnim betonima.
"Uzbudljivo je razmišljati o tome kako bi ove trajnije betonske formulacije mogle produžiti ne samo vijek trajanja ovih materijala, već i kako bi mogle poboljšati trajnost 3D printanih betonskih formulacija", rekao je Mašić.