Végre megértettük, mi rejlik a római kori beton tartósságának titkában.

Ez a 6 közlekedési újdonság meg fogja változtatni az életünket (x)

Még napjainkban is az egyik leglenyűgözőbb építményük, a közel 2000 éves Pantheon, büszkélkedhet a világ legnagyobb vasalatlan beton kupolájának címével.

A római Pantheon impozáns bejárata előtt. Kép: Mariordo/Wikimedia Commons/CC-SA-4.0.

A beton sajátos jellemzőit főként az összetevőinek köszönheti. Kiemelkedő szerepet játszik benne a pozzolana, amely vulkáni hamuból készül, nevét pedig az olasz Pozzuoli városáról kapta, ahol jelentős lelőhely található. Amikor ezt a pozzolánát mészszel vegyítjük, majd vízzel keverjük, a két anyag reakcióba lép, és olyan rendkívül erős betont hoz létre, amely számos építkezési projekt alapját képezi.

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 mészdarabkák 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 annyira elkötelezettek voltak egy kiváló építőanyag kidolgozása mellett, amelyet évszázadok során finomított, precíziós receptek alapján tökéletesítettek, vajon miért hagyták volna figyelmen kívül a jól összekevert végtermék előállításának biztosítását? Ennek a történetnek sokkal többet kellene magában foglalnia."

Masic és Linda Seymour, az MIT építőmérnöke, egy rendkívül alapos kutatási projekt keretében vizsgálta a Privernum régészeti lelőhelyről származó, kétezer éves római betonmintákat.

Ezeket a mintákat alaposan megvizsgálták különböző technikák alkalmazásával, mint például a nagy felbontású pásztázó elektronmikroszkópia, energiadiszperzív röntgenspektroszkópia, porröntgen-diffrakció és konfokális Raman-képalkotás. Ezzel a komplex elemzési folyamattal céljuk volt, hogy mélyebb betekintést nyerjenek a mészkőlerakódások összetételébe és kialakulásának folyamatába.

Az egyik kérdés a felhasznált mész természete volt. A standard értelmezés szerint a mozolánbetonhoz oltott meszet használnak . Először is, a mészkövet magas hőmérsékleten hevítik, hogy egy erősen reaktív maró por, az úgynevezett égetett mész, vagy kalcium-oxid keletkezzen.

A híg mész és víz összekeverésével oltott mész, azaz kalcium-hidroxid keletkezik: egy valamivel kevésbé reaktív, kevésbé maró paszta. Az elmélet szerint az ókori rómaiak ezt az oltott meszet keverték a pozzolánához.

Róma lenyűgöző ősi betonboltozata, amely a múlt titkait őrzi. (Fotó: Michael Wilson/Flickr/CC-BY-SA 2.0)

A csapatunk elemzése során megállapítottuk, hogy a vizsgált mintákban található mészrögök nem illeszkednek ehhez a módszerhez. Valószínű, hogy a római betont úgy készítették, hogy a gyorsmeszet közvetlenül összekeverték a pozzolánával és vízzel, rendkívül magas hőmérsékleten. Ez a folyamat, amelyet a csapatunk "forró keverésnek" nevez, akár önállóan, akár oltott mész hozzáadásával zajlott, és ennek eredményeként keletkeztek a mészrögök.

"A forró keverés előnyei kétségtelenül sokrétűek" - nyilatkozta Masic.

"Először is, amikor a teljes betont magas hőmérsékletre hevítik, olyan kémiai folyamatokat tesz lehetővé, amelyek nem lehetségesek, ha csak oltott meszet használnánk, olyan magas hőmérséklethez kapcsolódó vegyületek keletkeznek, amelyek egyébként nem alakulnának ki. Másodszor, ez a megnövelt hőmérséklet jelentősen csökkenti a kikeményedési és szilárdulási időt, mivel az összes reakció felgyorsul, ami sokkal gyorsabb építést tesz lehetővé."

Az ókori római habarcsok különleges öngyógyító mechanizmusának bemutatása. (Illusztráció: Seymour et al., Science Advances, 2023)

Ráadásul egy különleges előnyt is kínál: a mészrögök figyelemre méltó öngyógyító tulajdonságokkal ruházzák fel a betont.

Amikor a betonban repedések keletkeznek, azok előnyben részesítik a mészklasztokat, 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 a további terjedését.

Egy másik, 2000 éves lelőhely, a Caecilia Metella sírjának betonja is hasonló megfigyeléseket szolgáltat. Itt a beton repedéseit kalcittal töltötték ki, ami arra utal, hogy a rómaiak már akkor is tudatosan alkalmazták a természetes anyagokat a tartósság érdekében. Ez a gyakorlat valószínűleg hozzájárult ahhoz, hogy a több ezer évvel ezelőtt épült római partfalak betonja megőrizte épségét az óceán folyamatos eróziós hatásaival szemben.

A kutatócsoport innovatív módon vizsgálta eredményeit, az ókori és modern recepteket ötvözve, égetett mész felhasználásával állították elő a mozolánbetont. Ezen kívül egy kontrollbetont is készítettek, amely nem tartalmazott égetett meszet, majd repedésvizsgálatok sorozatát hajtották végre. Meglepetésükre kiderült, hogy a megrepedt mészbeton mindössze két héten belül képes volt teljesen regenerálódni, míg a kontrollbeton folyamatosan repedezett.

A csapatunk éppen azon fáradozik, hogy betontermékünket a hagyományos betonok környezetkímélőbb alternatívájaként a piacon bemutassa.

"Érdekes elgondolkodni azon, hogy ezek a hosszabb élettartamú betonkészítmények nemcsak az alapanyagok tartósságát növelhetik, hanem a 3D-nyomtatott betontermékek élettartamát is jelentősen javíthatják" - fogalmazott Masic.