De ce betonul roman e mai puternic decât a fost vreodată, în timp ce betonul modern se degradează

Betonul în unele piliere romane este nu numai viabil și astăzi, ci mai puternic decât a fost vreodată. Secretul? Apa de mare.

Cu aproape 2.000 de ani în urmă, faimosul istoric roman Plinius a scris în Naturalis Historia despre betonul turnat în porturi că „de îndată ce intră în contact cu valurile mării și este scufundat, devine o singură masă de piatră, în fiecare zi mai puternică”.

Această perspectivă este surprinzătoare, potrivit unui studiu din 2017 care a constatat că apa de mare este ingredientul secret care face betonul roman extrem de durabil, încurajând creșterea mineralelor rare.

Betonul din unele piliere romane este nu numai viabil și astăzi, dar mai puternic decât a fost vreodată, în timp ce structurile moderne de beton marin realizate din ciment Portland se sfărâmă în câteva decenii.

Cum foloseau romanii betonul

Vechii romani foloseau beton peste tot, în special în mega-structurile lor, cum ar fi Panteonul și piețele lui Traian din Roma. Făceau betonul amestecând mai întâi cenușa vulcanică cu var și apă de mare pentru a produce mortar, care era încorporat ulterior în bucăți de rocă vulcanică.

Combinația producea o reacție chimică numită “pozzolanică”, numită astfel după orașul Pozzuoli din Golful Napoli. Un alt nisip vulcanic natural reactiv, folosit la fabricarea betonului, se numește „harena fossicia”. Se crede că romanii ar fi putut obține mai întâi acest amestec după ce au observat depozite de cenușă vulcanică cimentate natural numite „tuff”.

După căderea Imperiului Roman, rețeta pentru fabricarea betonului s-a pierdut și un beton cu aceeași valoare nu a fost reinventat până în 1824, când un englez numit Joseph Aspdin a descoperit cimentul Portland prin arderea cretei măcinate și argilei într-un cuptor, până când dioxidul de carbon a fost îndepărtat. A fost numit ciment „Portland”, deoarece seamănă cu pietrele de construcție de înaltă calitate găsite în Portland, Anglia.

Rețeta antică romană este însă foarte diferită de cea modernă pentru beton. Cel mai modern beton este un amestec de ciment Portland – calcar, gresie, cenușă, cretă, fier și argilă, printre alte ingrediente, încălzit pentru a forma un material sticlos fin măcinat – cu așa-numitele „agregate”. Aceste agregate, de obicei nisip sau piatră zdrobită, nu sunt destinate să reacționeze chimic, deoarece dacă fac acest lucru, pot provoca expansiuni nedorite în beton.

Imperiile supraviețuitoare: betonul roman

Interesul geologului Universității din Utah Marie Jackson pentru betonul roman a fost declanșat de un an sabatic la Roma, unde a studiat tufuri și depozite de cenușă vulcanică. Ea a abordat factorii care au făcut ca betonul arhitectural din Roma să fie atât de rezistent. Unul dintre acești factori este că mineralele dintre agregat și mortar împiedică prelungirea fisurilor, în timp ce suprafețele agregatelor nereactive din cimentul Portland ajută doar propagarea fisurilor.

În timp ce studiau miezurile forate din betonul portului roman, Jackson și colegii săi au găsit un mortar foarte rar, tobermorit aluminos (Al-tobermorit) în mortarul marin. Prezența mineralului a surprins pe toată lumea, deoarece este foarte dificil de realizat. Pentru ca Al-tobermoritul să se formeze, e nevoie de o temperatură foarte ridicată. „Nimeni nu a produs tobermorit la 20 de grade Celsius”, spune ea. „Cu excepția romanilor!”.

Jackon și-a dat seama imediat că mineralul trebuie să fi apărut mai târziu. Echipa a concluzionat cu experimente care le-au susținut că apa de mare a percolat prin beton în diguri, dizolvând componentele cenușii vulcanice. Astfel, permițând noilor minerale să crească din fluidele puternic alcalinizate, în special Al-tobermorit și phillipsite, acesta din urmă fiind un mineral zeolit. În cazuri rare, vulcanii subacvatici, cum ar fi vulcanul Surtsey din Islanda, produc aceleași minerale găsite în betonul roman.

„Ne uităm la un sistem care este contrar a tot ceea ce nu s-ar dori în betonul pe bază de ciment”, spune ea. „Ne uităm la un sistem care prosperă în schimbul chimic deschis cu apa de mare”.

Eșantioanele romane de beton au fost studiate folosind o tehnică numită microdifracție cu raze X la ALS UC Berkeley Lab. Mașina produce grinzi focalizate la aproximativ un micron sau de aproximativ o sută de ori mai mici decât ceea ce poate fi găsit într-un laborator convențional.

Industria betonului a fost evaluată la 50 de miliarde de dolari în 2015 în SUA

 „Putem intra în micile laboratoare naturale din beton, să mapăm mineralele prezente, succesiunea cristalelor care apar și proprietățile lor cristalografice. A fost uluitor ce am reușit să găsim”, a spus Jackson.

Industria betonului a fost evaluată la 50 de miliarde de dolari în 2015 numai în Statele Unite. În acel an, au fost fabricate 80 de milioane de tone de ciment Portland sau aproximativ greutatea a 90 de poduri Golden Gate sau 12 baraje Hoover.

Având în vedere durabilitatea betonului roman și emisiile substanțiale de dioxid de carbon rezultate din fabricarea cimentului Portland, de ce nu urmăm exemplul romanilor?

Ei bine, nu este deloc atât de ușor, spune Jackson. Romanii au fost destul de norocoși să găsească cenușă vulcanică în vecinătatea lor. De asemenea, ingredientele pentru rețeta lor nu pot fi adaptate nicăieri în lume.

În plus, betonul roman are nevoie de timp pentru a dezvolta rezistența din apa de mare și are o rezistență la compresiune mai mică decât cimentul Portland.

Cu toate acestea, Jackson lucrează îndeaproape cu colegii săi pentru a face o rețetă alternativă bazată pe materiale locale din vestul SUA, inclusiv apa de mare din Berkeley, California. Jackson conduce, de asemenea, un proiect științific de forare pentru a studia producția de tobermorit și alte minerale conexe la vulcanul Surtsey din Islanda.

Acest tip de ciment ar putea fi foarte util pentru unele aplicații de nișă. De exemplu, cimentul roman ar putea fi folosit într-un proiect de lagune, menit să valorifice energia mareelor, planificat în prezent în Swansea, Regatul Unit. Pentru a recupera costul suportat de construirea acesteia, laguna ar trebui să funcționeze timp de 120 de ani.