We weten eindelijk hoe oud Romeins beton duizenden jaren meeging: ScienceAlert

De oude Romeinen waren meesters in constructie en techniek, misschien wel het meest opvallend vertegenwoordigd door aquaducten. Deze nog steeds functionerende wonderen zijn afhankelijk van een uniek bouwmateriaal: puzzolaanbeton, een verbazingwekkend duurzaam beton dat Romeinse bouwwerken hun ongelooflijke kracht gaf.

Zelfs vandaag de dag heeft een van hun gebouwen – het Pantheon, nog steeds intact en bijna 2000 jaar oud – het record voor 's werelds grootste koepel van ongewapend beton.

De eigenschappen van dit beton worden doorgaans toegeschreven aan de ingrediënten: puzzolana, een mengsel van vulkanische as – vernoemd naar de Italiaanse stad Pozzuoli, waar grote hoeveelheden ervan te vinden zijn – en Limoen. Wanneer ze met water worden gemengd, kunnen de twee materialen reageren om sterk beton te produceren.

Maar het blijkt dat dit niet het hele verhaal is. En in 2023 ontdekte een internationaal team van onderzoekers onder leiding van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) dat niet alleen de materialen een beetje anders waren dan we dachten, maar dat de technieken die werden gebruikt om ze te mengen ook anders waren.

De smoking guns waren kleine witte stukjes kalk die gevonden konden worden in wat goed gemengd beton leek. De aanwezigheid van deze stukken werd eerder toegeschreven aan slechte menging of materialen, maar dat klopte niet voor materiaalwetenschapper Admir Masek van MIT.

“Het idee dat de aanwezigheid van deze kalksteenblokken eenvoudigweg te wijten is aan slechte kwaliteitscontrole heeft mij altijd gehinderd.” zei Macek Terug in januari 2023.

“Als de Romeinen zoveel moeite hebben gedaan om een ​​hoogwaardig bouwmateriaal te maken, waarbij ze alle gedetailleerde recepten volgden die gedurende vele eeuwen werden verfijnd, waarom hebben ze dan zo weinig moeite gedaan om ervoor te zorgen dat er een goed gemengd eindproduct werd geproduceerd? Er moet meer zijn aan dit verhaal.”

Macek en het team, geleid door MIT-burgerlijk ingenieur Linda Seymour, bestudeerden 2000 jaar oude Romeinse betonmonsters van de archeologische vindplaats Perevernum in Italië. Deze monsters werden onderworpen aan scanning-elektronenmicroscopie met een groot oppervlak, energiedispersieve röntgenspectroscopie, poederröntgendiffractie en confocale Raman-beeldvorming om een ​​beter begrip van de kalkmassa's te krijgen.

Een van de vragen die bij mij opkwam was de aard van de gebruikte kalk. Het standaardbegrip van puzzolaanbeton is dat het wordt gebruikt Gehydrateerde kalk. Ten eerste wordt kalksteen bij hoge temperaturen verwarmd om een ​​zeer reactief bijtend poeder te produceren dat kalksteen wordt genoemd Ongebluste kalkOf calciumoxide.

Door ongebluste kalk met water te mengen ontstaat gebluste kalk, oftewel calciumhydroxide: een minder reactieve en minder bijtende pasta. Volgens de theorie was het deze gehydrateerde kalk die de oude Romeinen vermengden met puzzolana.

Op basis van de analyse van het team kwamen de kalkblokken die in hun monsters werden aangetroffen niet overeen met deze methode. Als alternatief kan Romeins beton zijn gemaakt door ongebluste kalk rechtstreeks te mengen met puzzolana en water bij extreem hoge temperaturen, alleen of in aanvulling op gehydrateerde kalk, een proces dat het team ‘heet mengen’ noemt en waarbij kalkkruimels ontstaan.

“De voordelen van heet mengen zijn tweeledig.” zei Macek.

“Ten eerste, wanneer aggregaatbeton wordt verwarmd tot hoge temperaturen, kunnen chemische stoffen plaatsvinden die niet mogelijk zijn als je alleen gehydrateerde kalk gebruikt, waardoor bij hoge temperaturen gebonden verbindingen ontstaan ​​die zich anders niet kunnen vormen. Ten tweede vermindert deze verhoogde temperatuur de uitharding dramatisch en uithardingstijden omdat alle reacties worden versneld, waardoor een veel snellere constructie mogelijk is.”

Het heeft nog een ander voordeel: kalkkruimels geven beton een opmerkelijk zelfherstellend vermogen.

Wanneer er scheuren in beton ontstaan, verplaatsen deze zich bij voorkeur naar kalkblokken, die een groter oppervlak hebben dan andere deeltjes in de matrix. Wanneer water de scheur binnendringt, reageert het met de kalk en vormt een calciumrijke oplossing die opdroogt en uithardt zoals calciumcarbonaat, waardoor de scheur weer aan elkaar wordt geplakt en wordt voorkomen dat deze zich verder verspreidt.

dit Het is opgemerkt In beton van een andere 2000 jaar oude locatie, het graf van Cecilia Metella, waar scheuren in het beton waren opgevuld met calciet. Het zou ook kunnen verklaren waarom Romeins beton van zeeweringen die 2000 jaar geleden zijn gebouwd duizenden jaren lang intact is gebleven, ondanks het constante beuken van de oceanen.

Daarom testte het team hun bevindingen door puzzolaanbeton te maken op basis van oude en moderne recepten met behulp van ongebluste kalk. Ook maakten ze controlebeton zonder ongebluste kalk en voerden ze scheurproeven uit. En ja hoor, het gescheurde kalksteenbeton was binnen twee weken volledig uitgehard, maar het controlebeton bleef gescheurd.

Het team werkt er nu aan om hun beton op de markt te brengen als een milieuvriendelijker alternatief voor het huidige beton.

“Het is spannend om na te denken over hoe deze duurzamere betonsamenstellingen niet alleen de levensduur van deze materialen kunnen verlengen, maar ook hoe ze de duurzaamheid van 3D-geprinte betonsamenstellingen kunnen verbeteren.” zei Macek.

Het onderzoek is gepubliceerd in Vooruitgang van de wetenschap.

Een versie van dit artikel werd voor het eerst gepubliceerd in januari 2023.