Betonul roman: secretele rezistenţei neobişnuite a betonului vechi de 2.000 de ani

Betonul roman antic reprezintă un subiect fascinant şi în zilele noastre. În mod remarcabil, Panteonul – faimoasa cupolă din beton nearmat a Romei, inaugurată în anul 128 d.Hr. – este încă în picioare și astăzi, iar apeductele din aceeași perioadă continuă să transporte apă în Roma. Betonul, pur și simplu, rezistă.

Timp de decenii, cercetătorii au atribuit includerea puzzolanei, o cenuşă vulcanică provenită din Pozzuoli, un oraș din Napoli, Italia, pentru rezistența unică a amestecului. Alții au susținut că varul a fost ingredientul cheie. O echipă de cercetători de la MIT, Harvard, dar şi din Italia și Elveția, condusă de Admir Masic de la MIT, profesor de inginerie civilă și de mediu, știa că povestea nu se rezumă la atât. Mai ales atunci când priveşti la microscop caracteristicile unor particule minuscule, de un alb strălucitor, provenite din varul folosit la producerea betonului.

Echipa a descoperit că betonul roman antic își obținea rezistența datorită proprietăților de autoreparare, care ajută la umplerea fisurilor pe măsură ce acestea se formează. Desigur, varul și cenușa ajută, dar adevărata vedetă a spectacolului este amestecarea la cald, un proces de creare a betonului care formează calciu reactiv. Cu alte cuvinte, aceste bucăți mici de var pot reacționa cu apa, după amestecare, pentru a se recristaliza sub formă de carbonat de calciu și pentru a umple fisurile, reacționând în același timp cu pozzolana pentru a consolida și mai mult materialul compozit. Reacțiile au loc în mod spontan, reparând fisurile înainte ca acestea să se extindă.

O echipă care studiază exclusiv betonul roman antic

Admir Masic a declarat că s-a mutat la MIT cu scopul specific de a cerceta betonul roman antic. El a înființat un laborator și a angajat studenți interesați de acest subiect. Fiind în primul rând un chimist, spune că știa că există ceva sub suprafață când vine vorba de rezistența betonului roman.

„Cu cât citeam mai mult despre el și studiam despre el, cu atât varul nu este bine înțeles în această componentă fundamentală. A fost trecută cu vederea și cred că a fost trecută cu vederea pentru că ne-am concentrat pe componenta vulcanică.”, a declarat Admir Masic.^[sursa]

Oamenii de știință vedeau în mod obișnuit pozzolana ca fiind ingredientul minune, deoarece romanii au fost primii care au adăugat cenușă vulcanică în beton, creând o chimie complet nouă în amestec, cunoscută sub numele de hidroliză, în loc de carbonatare. Un beton pe bază de hidroliză – în trecut, mortarele aeriene necesitau aer pentru a se întări și pentru a capta dioxidul de carbon – conferă amestecului o rezistență suplimentară în comparație cu carbonatarea și face posibilă construirea în toate anotimpurile.

Cercetările au arătat că betonul roman a format faze cristaline despre care se știe că iau formă doar la temperaturi ridicate, de cel puțin 80 de grade Celsius. Masic s-a întrebat cum se putea întâmpla acest lucru, neexistând vreo modalitate rezonabilă ca amestecul de beton sau locația sa finală să fi atins vreodată astfel de temperaturi.

Apoi, un studiu recent a descoperit carbonatul de calciu ca agent de legare în betonul roman, ceea ce a creat o nouă intrigă. Chiar și în porțiunile în care romanii au adăugat plăci ceramice zdrobite pentru un amestec rezistent la apă, s-a format calciu. Se poate atribui o parte din formulă cenușii vulcanice, dar nu toată. „De unde a apărut calciul? Aici începe cercetarea. Întrebați de unde provine calciul.”, a mai spus Masic.

Puterea varului din betonul roman

Calciul provine din var. Dar există totuși o diferență. Masic a remarcat faptul că betonul modern – atunci când este amestecat cu var, componente vulcanice și apă – creează un amestec omogen, destul de asemănător cu betonul roman. Romanii, însă, „creau în mod sistematic beton eterogen. Cum este posibil ca fiecare șantier de construcții să facă acest material eterogen, deși au depus atât de mult efort pentru a-l face foarte standard în ceea ce privește ingredientele, modul de amestecare?”, s-a întrebat profesorul.

Echipa de cercetare a decis să investigheze acele claste de var, mici bucăți de var pe care le-a găsit în fiecare eșantion analizat.

„Prezența acestor cioburi de var – și caracteristicile mecanice și aspectele structurale ale cioburilor de var, precum și aspectele chimice ale cioburilor de var – au dus la concluzia că cioburile de var nu reprezintă o eroare de amestecare sau o amestecare neglijentă, ci sunt rădăcina unui mod foarte specific de amestecare a mortarelor. Încă de când am început să lucrez cu betonul roman antic, am fost mereu fascinat de aceste caracteristici. Acestea nu se regăsesc în formulările moderne de beton, deci de ce sunt prezente în aceste materiale antice?”, a mai spus Admir Masic.

Betonul roman a fost amestecat în cuptoare înalte de 50 de metri și cu diametrul de 8 metri. Inițial, se credea că romanii adăugau apă împreună cu varul și pulberea de cenușă vulcanică. Astfel se crea un amestec cu structură omogenă. Cu toate acestea, prezența fragmentelor de var, care includeau carbonat de calciu (var nestins), a însemnat că acesta nu era secretul până la urmă.

Amestecul contează

„În loc ca această piatră să reacționeze cu apa pentru a crea suspensia, se macină această piatră în bucăți mici care sunt acum oxid de calciu, se amestecă cu o cenușă vulcanică și un agregat uscat, apoi se adaugă apă. Aici are loc reacția oxidului de calciu cu apa, iar întregul amestec se încălzește din cauza reacției dintre oxidul de calciu și apă, care eliberează energie și creează puncte fierbinți de până la 200-250 de grade Celsius.”, a mai spus Masic.

Acel „amestec fierbinte” introduce o serie de reacţii chimice care nu se regăsesc în cazul amestecului la rece, explicabile doar prin reacțiile produse prin utilizarea varului nestins în loc de, sau în plus față de, amestecul de var stins.

Astfel, atunci când apar fisuri, apa de ploaie care intră în contact cu betonul roman produce o soluţie saturată de calciu, care se recristalizează apoi în carbonat de calciu, permiţând astfel acoperirea fisurilor. Cu alte cuvinte, betonul roman se repară singur.