Rzymski falochron odlany z betonu ostatnie 2000 lat spędził zatopiony w Morzu Śródziemnym. Międzynarodowy zespół naukowców m.in. z U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), oraz University of California zbadali budowę tego wytrzymałego materiału.
Próbki pobrano z Zatoki Pozzuoli na północno-zachodnim rogu Zatoki Neapolitańskiej. Analiza próbek wykazała wyższość betonu z czasów rzymskich nad nowoczesnymi betonami pod względem trwałości, a jego produkcja okazała się mniej szkodliwa dla środowiska.
„To nie jest tak, że beton produkowany dzisiaj nie jest dobry – obecnie produkujemy 19 miliardów ton rocznie” – mówi Paulo Monteiro z Berkley Lab. „Problemem jest to, że podczas produkcji cementu portlandzkiego do atmosfery wysyłane jest siedem procent dwutlenku węgla w skali przemysłu światowego” – dodaje naukowiec.
Betonowy falochron przy plaży w zatoce Herne Bay, Kent.
Cement portlandzki to hydrauliczne spoiwo budowlane, które zmieszane z wodą wiąże inne materiały, uzyskując cechy ciała stałego (twardniejąc). Klinkier cementowy otrzymuje się przez wypalenie w temperaturze 1450°C mieszaniny zmielonych surowców zawierających wapienie i glinokrzemiany. Podczas tego procesu wapienie (CaCO3) uwalniają do atmosfery znaczne ilości dwutlenku węgla. Do wypalonego klinkieru dodaje się gips lub mieszaninę gipsu i anhydrytu jako regulatora czasu wiązania oraz do 5% innych składników (wapień, żużel, pył pucolanowy), a następnie całość miele się w młynie do cementu.
Zespół Monteiro odkrył, że Rzymianie używali dużo mniejszej ilości węglanów wapna. Korzystali z kamieni wapiennych i wypalali je w temperaturze 900°C bądź niższej. Wymagało to znacznie mniejszego zużycia paliwa niż obecnie do uzyskania cementu portlandzkiego.
Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych jest silnym bodźcem do projektowania ekologicznych materiałów, do budowy budynków, mostów i innych konstrukcji.
„W połowie XX wieku konstrukcje betonowe zostały zaprojektowane tak, aby wytrzymać 50 lat. Obecnie budynki powinny wytrzymać od 100 do 120 lat. Starożytne rzymskie zabudowy portowe przetrwały ponad 2000 wytrzymując napór wody oraz erozji.” – mówi Monteiro.
Sekret rzymskiego cementu, zdaniem naukowców, polegał na zastosowaniu nadzwyczaj wytrzymałej mieszanki pyłu wulkanicznego, skał wulkanicznych i wapna. Dla podwodnych konstrukcji, wapno i popiół wulkaniczny zmieszano tworząc zaprawę, następnie dodano odłamki skał i aplikowano do drewnianych szalunków. Woda morska wywoływała natychmiastową reakcję chemiczną. Dzięki reakcji chemicznej zachodzącej przy udziale wody powstają między innymi z ziaren cementu uwodnione krzemiany i glinokrzemiany wapnia – powstają fazy C-S-H, które zapewniają połączenie wszystkich składników. Produkty hydratacji cementu wchodzą w reakcję fizyko-chemiczną z pozostałymi składnikami mieszanki betonowej tworząc zwięzłą całość. Postępujący proces hydratacji cementu jest procesem egzotermicznym – oznacza to iż podczas hydratacji wydzielane jest ciepło.
Rzymski beton posiada inne składniki – mniej jest krzemianów, za to jest dodatek aluminium. Powstaje uwodniony krzemian wapniowo-aluminiowy (C-A-S-H). który jest wyjątkowo stabilnym spoiwem.
Spektroskopia rentgenowska wykazała, że podstawienie aluminium w miejsce krzemu, może być kluczem do spójności i trwałości betonu w morskiej wodzie. Przyjazne dla środowiska, obecnie produkowane betony zawierają już popiół wulkaniczny (puzzolana) lub popioły lotne z elektrowni jako substytuty dla cementu portlandzkiego. Ich długoterminowa przydatność nie była znana dopóki nie przeanalizowano starożytnych rzymskich podwodnych budowli.
Analiza wykazała, że Rzymianie potrzebowali mniej niż 10% wagowych wapieni, wypalanych w 2/3 temperatury wymaganej przez cement portlandzki.
Źródło:
[1] Material and elastic properties of Al-torbermotite in ancient Roman seawater concrete, by Marie D. Jackson, Juhyuk Moon, Emanuele Gotti, Rae Taylor, Abdul-Hamid Emwas, Cagla Meral, Peter Guttmann, Pierre Levitz, Hans-Rudolf Wenk, and Paulo J. M. Monteiro, appears in the Journal of the American Ceramic Society
[2] http://newscenter.lbl.gov/?p=28432&preview=true | 30.06.2013
[3] http://www.permies.com/t/2309/green-building/CEMENTS | 30.06.2013
[4] Concrete Bank by William Warby, flickr.com, CC BY 2.0