Még ma is az egyik építményük, – amely még mindig ép és közel 2000 éves Pantheon – tartja a világ legnagyobb vasalatlan betonból készült kupolájának rekordját.
E beton tulajdonságait általában az összetevőinek tulajdonítják: a pozzolana, ami vulkáni hamu – nevét az olaszországi Pozzuoli városáról kapta – és mész keveréke. ( Pozzuoli városánál jelentős mennyiség található ebből a vulkáni hamuból.) Vízzel keverve a két anyag reakcióba lépve erős betont eredményez.
De, mint kiderült, nem ez a teljes történet. A Massachusetts Institute of Technology (MIT) által vezetett nemzetközi kutatócsoport 2023-ban megállapította, hogy nemcsak anyagában különbözött attól, amit véltünk, hanem a keverés technológiája is más lehetett.
A bizonyíték erre azok a kis, fehér mészdarabkák voltak, amelyek az egyébként jól összedolgozott betonban voltak láthatók. Ezeknek a darabkáknak a jelenlétét korábban a rossz minőségű keverésnek vagy anyagnak vélték, de ennek Admir Masic, az MIT anyagtudományi kutató szerint nem volt értelme.
„Az az elképzelés, hogy ezeknek a mészrögöknek a jelenlétét egyszerűen az alacsony minőség-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 előállítására? 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 elektronmikroszkópos vizsgálatnak és 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 pozzolánbetonhoz oltott meszet használnak. Ehhez először is, a mészkövet magas hőmérsékleten hevítik, hogy egy erősen reaktív maró por, az úgynevezett égetett mész (mészhidrát), kémiai nevén kalcium-oxid keletkezzen.
Az égetett mész és víz összekeverésével oltott mész, azaz kalcium-hidroxid keletkezik: egy valamivel kevésbé reaktív, maró paszta. Az elmélet szerint az ókori rómaiak ezt az oltott meszet keverték a pozzolánnal.
A csapat elemzése alapján a mintáikban lévő mészrögök nem felelnek meg ennek a módszernek. A római betont valószínűleg inkább úgy állították elő, hogy az égetett meszet közvetlenül a pozzolánnal és 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” – mondta Masic.
„Először is, amikor a teljes betont magas hőmérsékletre hevítik, olyan kémiai folyamatokat tesz lehetővé, amelyek nem lehetségesek, ha csak oltott meszet használunk, olyan magas hőmérséklethez kapcsolódó vegyületek keletkeznek, amelyek egyébként nem alakulnának ki. Másodszor, ez a megnövekedett hőmérséklet jelentősen csökkenti a keményedési és szilárdulási időt, és mivel az összes reakció felgyorsul 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 mészklasztokat, amelyek nagyobb felülettel rendelkeznek, mint a mátrixban lévő más részecskék. 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 a 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 rómaikori 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 pozzolánbetont. Emellett készítettek egy kontrollbetont is, mész nélkül, és repedésvizsgálatokat végeztek. Bizony, a megrepedt mészbeton két héten belül teljesen meggyógyult, a kontrollbeton azonban repedezett maradt.
A csapat most azon dolgozik, hogy betonjukat a jelenlegi betonok környezetbarátabb alternatívájaként kereskedelmi forgalomba hozzák.
„Izgalmas elgondolkodni azon, hogy ezek a tartósabb betonkészítmények nemcsak ezeknek az anyagoknak az élettartamát bővíthetik, hanem a 3D-nyomtatott betonkészítmények tartósságát is javíthatják” – mondta Masic.
