Egy bizonyos típusú vulkáni hamu és a víz közötti, több ezer éves kémiai kölcsönhatás erősebbé, nem pedig gyengébbé tette a római betont az idő múlásával. Egy új tanulmányban a tudósok az építmények tartósságára keresték a választ.

Remélték, hogy legalább ezer évig kitartanak majd

A világ egyik legnagyobb mérnöki problémája a beton. A múlt évszázadban kiépített hidak, autópályák, gátak és épületek ugyanis itt omladoznak most a szemünk előtt. Ennek a romló infrastruktúrának a javítása és újjáépítése a becslések szerint évente több milliárd dollárba (több száz milliárd forintba) kerül.

A beton olyan építőanyag, amelynek összetevői a kavics, a homok, a cement és a víz.

A Pantheon madártávlatbólForrás: AFP/Filippo Monteforte

Amikor a 19. században acélmegerősítéseket tettek bele, ezt joggal tekintették a korabeli innováció hatalmas előrelépésének, ugyanis felgyorsította az építési időt, kevesebb betont használt fel, és lehetővé tette hosszú, konzolos szerkezetek, például az akár több kilométer hosszú hidak és magas felhőkarcolók tervezését. Ezek a korai mérnökök úgy gondolták, hogy a vasbeton szerkezetek legalább ezer évig kitartanak majd; ám a valóságban ma már tudjuk, hogy élettartamuk ötven és száz év között van.A betont eredetileg az ókori rómaiak fejlesztették ki, akiknek építési technikái a birodalom bukásával szinte elvesztek. Az építőanyagot csak 1824-ben „találták fel újra", amikor egy Joseph Aspdin nevű angol véletlenül felfedezte a portlandcementet (a beton egyik alapvető hozzávalóját), amikor finomra őrölt krétát és agyagot égetett a kemencében.

A két betontípus tartóssága azonban nem egyforma. Nem véletlen, hogy számos csodálatos római épület, például a római Pantheon, közel kétezer év után, a mai napig is büszkén áll.

Megtalálhatták a titok nyitját

A Journal of the American Ceramic Society tudományos szaklapban publikált, új tanulmányban a tudósok most a római beton mesteri kivitelezésének egy másik kitűnő példáját írják le, amely bizonyítékként szolgál. A kutatók egy nagy méretű, hengeres sírról számolnak be, amely Caecilia Metella, egy 1. századi nemesasszony utolsó nyughelyéül szolgált. A Utahi Egyetem geológusai és geofizikusai által végzett vizsgálatok azt mutatják, hogy a sír különösen kiváló minőségű és tartósságú betonja a római szabványok szerint készült, és felülmúlja a férfi kortársainak a sírjait.

A sírban azonosított habarcs pásztázó elektronmikroszkópos képeForrás: Marie Jackson

A szakemberek szerint a titok nyitja a vulkáni adalékanyagok egy különleges típusában rejlik, amelyet a római mesteremberek használtak,

és ami egy kis szerencsének, valamint az esővíz és a talajvíz véletlenszerű kémiai kölcsönhatásának volt köszönhető.

A beton, amely túlélt egy birodalmat

A nemes asszony, Caecilia Metella sírja délkeleten, a híres ókori római Appian-út szélén fekszik, amely egykor Rómát kötötte össze Brindisivel. A szerkezet monumentálisnak számított a maga korában: 21 méter magas és 29 méter átmérőjű. Egy dob alakú toronyból áll, amely egy négyzet alakú talp tetején található. Az első században, 30 körül építették, ami a tudósok szerint azt jelenti, hogy Caecilia biztosan akkor hunyt el, amikor Róma még köztársaság volt. Alig néhány évvel később, időszámításunk előtt 27-ben Augustus római császárnak nyilvánította magát, ami új korszakot nyitott Róma történelmében.

Augustus császár szobraForrás: Wikipedia

Caecilia Metella impozáns sírja méltó a státuszához:

egy jómódú nemes családban született és Marcus Licinius Crassus-hoz ment feleségül, aki valószínűleg a korabeli világ leggazdagabb embere volt, és aki Caius Iulius Caesar-ral és Cnaeus Pompeius Magnus-szal kötött közös érdekszövetséget, amit az első triumvirátus néven ismerünk.

Egy kivételesen ritka ásvány is belekerülhetett

Marie Jackson, a Utahi Egyetem geológia és geofizika kutatója először 2006-ban látogatta meg a sírt az olasz régészek engedélyével, hogy egy kis habarcsmintát gyűjtsön elemzésre. Amikor megérkezett a helyszínre, megdöbbentették a szinte tökéletesen megmaradt tégla falazatú falak és az alépítményben vízzel telített vulkáni kőzet.

Most az új tanulmányban Jackson az MIT és a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium munkatársaival dolgozott együtt, hogy a rendelkezésükre álló modern szerszámok segítségével közelítsenek a sírbeton mikrostruktúrájához.

Caecilia Metella síremlékeForrás: Tyler Bell

Ezek a műszerek magukban foglalják a haladó fényforrás (ALS) mikrodiffrakciós sugárvonalát, amely „mikron méretű, rendkívül fényes és energikus röntgensugarat hoz létre, és amely képes áthatolni a minták teljes vastagságán, így tökéletes eszköz egy ilyen vizsgálathoz – mutatott rá Nobumichi Tamura, a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium kutatója a ZME Science online tudományos portálnak.

A modern betonkeverékek úgy készülnek, hogy portlandcementet – többek között mészkövet, homokkövet, hamut, krétát, vasat és agyagot melegítenek fel, hogy egy finom, őrölt üveges anyagot képezzenek –- adalékanyagokkal, például őrölt homokkal vagy sziklákkal kevernek össze. Ezek az adalékanyagok (általában homok vagy zúzott kő) nem lépnek kémiai reakcióba, mert ha mégis, akkor nem kívánt tágulást okozhatnak a betonban.

Ezzel szemben a római beton készítése során nem használtak cementet.

A Római Birodalom legfontosabb útja, a Via Appia.Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/Via_Appia#/media/File:Via_appia.jpg

Ehelyett a betont úgy állították elő, hogy először a vulkáni hamut, a tefrát (a vulkánok által kilövellt mindenfajta szilárd törmelékanyag gyűjtőneve) keverték össze mészkővel és tengervízzel, hogy habarcsot állítsanak elő, amelyet később beépítettek a vulkáni kőzetdarabokba, az „aggregátumba".

Emellett egy római kikötőben vett betonmintában a tudósok egy kivételesen ritka ásványt, alumínium tobermoritot találtak, aminek kialakulásához nagyon magas hőmérsékletre van szükség. Később felfedeztek egy „strätlingit" nevű ásványt is, amelynek kristályai gátolják a mikrorepedések terjedését a habarcsban, megakadályozva azok összekapcsolódását és a betonszerkezet törését.

A római beton idővel megerősödhet

Caecilia sírjánál a kutatókat azonban újabb meglepetés érte. Az ókori római szerkezetben használt tefra különleges fajtája gazdagabb volt a leucitban, amely a forró magmából kristályosodik ki. Ahogy arra a szakemberek rámutattak, valószínűleg az évszázadok során az esővíz és a talajvíz átszivárgott a sír falain, és feloldotta ezt a kálium- és alumínium-tektoszilikátból álló ásványi anyagot, káliumot engedve a habarcsba.

A Római Birodalomban ismerték a beton "titkait"Forrás: YouTube

Utóbbi feloldódott és reagált a habarcsban található építőelemekkel. Ez a folyamat pedig erőteljesebb kohéziót eredményezett a betonban.
Kiderült, hogy a Caecilia Metella sírjának ókori római betonjában lévő határfelületek zónái folyamatosan alakultak ki – mondta Admir Masic, az MIT civil és környezetmérnöki docense. – Ezek az átalakulási folyamatok megerősítik az érintkező felületi zónákat, és potenciálisan hozzájárulnak az ősi anyag mechanikai teljesítményének és ellenállóképességének javításához.

Jackson és kollégái most ennek tükrében szeretnének egy új „betonreceptet" kidolgozni, amely 85 százalékkal csökkentheti a betongyártáshoz kapcsolódó energiakibocsátást, miközben jelentősen javíthatja az anyag élettartamát.