Az egyik építményük – a még mindig ép és közel 2000 éves Pantheon – tartja a világ legnagyobb vasalatlan betonkupolájának rekordját.
Ennek a betonnak a tulajdonságait általában az összetevőinek tulajdonítják: a pozzolana, amely vulkáni hamu – nevét az olaszországi Pozzuoli városáról kapta, ahol jelentős mennyiségű lelőhely található belőle – és mész keveréke. Vízzel keverve a két anyag reakcióba lépve erős betont eredményez.
De mint kiderült, ez nem a teljes történet. A Massachusetts Institute of Technology (MIT) által vezetett nemzetközi kutatócsoport 2023-ban megállapította, hogy nemcsak az anyagok különböznek kissé attól, amit eddig gondoltunk, hanem a keverésükhöz használt technikák is.
A füstölgő fegyverek apró, fehér mészdarabok voltak, amelyek az egyébként jól kevertnek tűnő betonban találhatók. Ezeknek a darabkáknak a jelenlétét korábban a rossz keverésnek vagy anyagoknak tulajdonították, de ennek Admir Masic, az MIT anyagtudósa szerint nem volt értelme.
„Az az elképzelés, hogy ezeknek a mészrögöknek a jelenlétét egyszerűen a rossz minőségű ellenőrzésnek tulajdonították, mindig is zavart” – mondta Masic még 2023 januárjában.
„Ha a rómaiak annyi erőfeszítést tettek egy kiváló építőanyag előállítására, követve a sok évszázad alatt optimalizált, részletes recepteket, akkor miért tettek volna olyan kevés erőfeszítést a jól összekevert végtermék előállításának biztosítására? Többnek kell lennie ennek a történetnek.”
Masic és a Linda Seymour, az MIT építőmérnöke által vezetett csapat alaposan tanulmányozta az olaszországi Privernum régészeti lelőhelyről származó 2000 éves római betonmintákat.
Ezeket a mintákat nagy felületű pásztázó elektronmikroszkópiának, energiadiszperzív röntgenspektroszkópiának, porröntgen-diffrakciónak és konfokális Raman-képalkotásnak vetették alá, hogy jobban megértsék a mészkőlerakódásokat.
Az egyik kérdés a felhasznált mész természete volt. A standard értelmezés szerint a mozolánbetonhoz oltott meszet használnak. Először is, a mészkövet magas hőmérsékleten felmelegítik, hogy egy rendkívül reaktív maró por, az úgynevezett égetett mész, vagy kalcium-oxid keletkezzen.
A hígított mész és víz összekeverésével olvasztott mész vagy kalcium-hidroxid keletkezik: ez egy valamivel kevésbé reaktív, kevésbé maró paszta. Az elmélet szerint az ókori rómaiak ezt az oltott meszet keverték a pozzolánához.
A csoport elemzése alapján a mintáikban található mészrögök nem felelnek meg ennek a módszernek. A római betont valószínűleg inkább úgy készítették, hogy a meszet közvetlenül a pozzolánával és a vízzel keverték össze rendkívül magas hőmérsékleten, önmagában vagy oltott mész mellett, ezt a folyamatot a csapat „forró keverésnek” nevezi, amely a mészrögöket eredményezi.
„A forró keverés előnyei kettősek” – állította Masic. „Először is, amikor a teljes beton magas hőmérsékletre melegszik, olyan kémiai folyamatokat tesz lehetővé, amelyek nem lehetségesek, ha csak oltott meszet használunk, és olyan magas hőmérséklethez kapcsolódó vegyületek keletkeznek, amelyek egyébként nem alakulnának ki. Másodszor, ez a megnövekedett hőmérséklet jelentősen csökkenti a kikeményedési és szilárdulási időt, mivel az összes reakció felgyorsul, ami sokkal gyorsabb építést tesz lehetővé.”
És van még egy előnye: a mészrögök figyelemre méltó öngyógyító képességet kölcsönöznek a betonnak.
Amikor a betonban repedések keletkeznek, azok előnyben részesítik a mészrögöket, amelyeknek nagyobb a felületük, mint a mátrixban lévő más részecskéknek. Amikor a víz bejut a repedésbe, reakcióba lép a mésszel, és kalciumban gazdag oldatot képez, amely megszárad és kalcium-karbonátként megkeményedik, visszaragasztja a repedést, és megakadályozza annak további terjedését.
Ezt megfigyelték egy másik 2000 éves lelőhelyről, a Caecilia Metella sírjából származó betonon is, ahol a betonban lévő repedéseket kalcittal töltötték ki. Ez azt is megmagyarázhatja, hogy a 2000 évvel ezelőtt épült római kori partfalak betonja miért maradt épen évezredeken át az óceán állandó csapkodása ellenére.
A kutatócsoport tehát úgy tesztelte eredményeit, hogy az ókori és modern receptek alapján, égetett mész felhasználásával készített betont. Emellett készítettek egy kontrollbetont is, mész nélkül, és repedésvizsgálatokat végeztek. Bizony, a megrepedt mészbeton két héten belül teljesen beforrt, a kontrollbeton azonban repedezett maradt.
A csapat most azon dolgozik, hogy a felfedezést a jelenlegi betonok környezetbarátabb alternatívájaként kereskedelmi forgalomba hozza.
„Izgalmas elgondolkodni azon, hogy a tartósabb betonkészítmények nemcsak ezeknek az anyagoknak az élettartamát bővíthetik, hanem a 3D-nyomtatott betonkészítmények tartósságát is javíthatják” – mondta Masic.
A kutatás a Science Advances című folyóiratban jelent meg.
