Οι αρχαίοι Ρωμαίοι ήταν δεξιοτέχνες της μηχανικής, κατασκευάζοντας τεράστια δίκτυα δρόμων, υδραγωγείων, λιμανιών και ογκωδών κτιρίων, τα ερείπια των οποίων σώζονται για περισσότερο από δύο χιλιετίες.
Πολλές από αυτές τις κατασκευές χτίστηκαν με σκυρόδεμα: το φημισμένο Πάνθεον της Ρώμης, το οποίο έχει τον μεγαλύτερο θόλο από μη οπλισμένο σκυρόδεμα στον κόσμο. Οι ερευνητές πέρασαν δεκαετίες προσπαθώντας να ανακαλύψουν το μυστικό αυτού του ανθεκτικού αρχαίου δομικού υλικού.
Για πολλά χρόνια, οι ερευνητές υπέθεταν ότι το κλειδί για την ανθεκτικότητα του αρχαίου σκυροδέματος βασιζόταν σε ένα συστατικό: ποζολανικό υλικό όπως ηφαιστειακή τέφρα από την περιοχή Pozzuoli, στον κόλπο της Νάπολης.Όταν αναμιγνύονται με νερό, τα δύο υλικά μπορούν να αντιδράσουν για να παράγουν ισχυρό σκυρόδεμα.
Το 2023, μια διεθνής ομάδα ερευνητών με επικεφαλής το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) διαπίστωσε ότι όχι μόνο τα υλικά είναι ελαφρώς διαφορετικά από ό, τι μπορεί να πιστεύαμε, αλλά οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάμιξή τους ήταν επίσης διαφορετικές.
Tο σκυρόδεμα περιέχουν φωτεινά λευκά ορυκτά χαρακτηριστικά σε κλίμακα χιλιοστών. Η παρουσία αυτών των κομματιών είχε προηγουμένως αποδοθεί σε κακή ανάμειξη ή υλικά. «Η ιδέα ότι η παρουσία αυτών των κομματιών αποδόθηκε απλώς στον έλεγχο χαμηλής ποιότητας πάντα με ενοχλούσε», δήλωσε ο Μάσιτς τον Ιανουάριο του 2023.
Ο Masic και η ομάδα, με επικεφαλής την πολιτικό μηχανικό του MIT Linda Seymour, μελέτησαν προσεκτικά δείγματα ρωμαϊκού σκυροδέματος ηλικίας 2.000 ετών από τον αρχαιολογικό χώρο του Privernum στην Ιταλία.
Αυτό το συγκεκριμένο είδος στάχτης στάλθηκε σε όλη την τεράστια Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία για να χρησιμοποιηθεί στις κατασκευές και περιγράφηκε ως βασικό συστατικό για το σκυρόδεμα σε μαρτυρίες από αρχιτέκτονες και ιστορικούς εκείνης της εποχής.
Με πιο προσεκτική εξέταση, αυτά τα αρχαία δείγματα περιέχουν επίσης μικρά, διακριτικά, φωτεινά λευκά ορυκτά χαρακτηριστικά σε κλίμακα χιλιοστών, τα οποία έχουν αναγνωριστεί από καιρό ως πανταχού παρόν συστατικό των ρωμαϊκών σκυροδέματος. Αυτά τα λευκά κομμάτια, που συχνά αναφέρονται ως ″κλάστες ασβέστη” (lime clasts), προέρχονται από ασβέστη, ένα άλλο βασικό συστατικό του αρχαίου μίγματος σκυροδέματος.
«Από τότε που άρχισα να δουλεύω με αρχαίο ρωμαϊκό σκυρόδεμα, πάντα με γοήτευαν αυτά τα χαρακτηριστικά», λέει ο Masic. «Αυτά δεν βρίσκονται σε σύγχρονα σκευάσματα σκυροδέματος, οπότε γιατί υπάρχουν σε αυτά τα αρχαία υλικά;»
Τα δεδομένα που προηγουμένως αγνοούνταν ως απλώς απόδειξη ατημέλητων πρακτικών ανάμειξης ή κακής ποιότητας πρώτων υλών, στη νέα μελέτη υποδηλώνεται ότι αυτοί οι μικροσκοπικοί lime clasts έδωσαν στο σκυρόδεμα μια προηγουμένως μη αναγνωρισμένη ικανότητα αυτο-θεραπείας.
«Η ιδέα ότι η παρουσία αυτών των lime clasts αποδόθηκε απλώς στον ελλιπή έλεγχο ποιότητας πάντα με ενοχλούσε», λέει ο Masic.
«Εάν οι Ρωμαίοι κατέβαλαν τόση προσπάθεια για να φτιάξουν ένα εξαιρετικό δομικό υλικό, ακολουθώντας όλες τις λεπτομερείς συνταγές που είχαν βελτιστοποιηθεί κατά τη διάρκεια πολλών αιώνων, γιατί θα έκαναν τόσο λίγη προσπάθεια για να εξασφαλίσουν την παραγωγή ενός καλά αναμεμειγμένου τελικού προϊόντος; Πρέπει να υπάρχουν περισσότερα σε αυτή την ιστορία».
Μετά τον περαιτέρω χαρακτηρισμό αυτών των lime clasts, χρησιμοποιώντας τεχνικές απεικόνισης υψηλής ανάλυσης και χημικής χαρτογράφησης που πρωτοστάτησαν στο ερευνητικό εργαστήριο του Masic, οι ερευνητές απέκτησαν νέες γνώσεις σχετικά με την πιθανή λειτουργικότητα αυτών.
Ιστορικά, είχε θεωρηθεί ότι όταν ο ασβέστης ενσωματώθηκε στο ρωμαϊκό σκυρόδεμα, αρχικά συνδυάστηκε με νερό για να σχηματίσει ένα εξαιρετικά αντιδραστικό υλικό που μοιάζει με πάστα, σε μια διαδικασία γνωστή ως slaking. Αλλά αυτή η διαδικασία από μόνη της δεν θα μπορούσε να εξηγήσει την παρουσία των lime clasts. Ο Masic αναρωτήθηκε: «Ήταν δυνατό οι Ρωμαίοι να χρησιμοποιούσαν όντως τον ασβέστη στην πιο δραστική του μορφή, που είναι γνωστός ως quicklime;»
Μελετώντας δείγματα αυτού του αρχαίου σκυροδέματος, αυτός και η ομάδα του διαπίστωσαν ότι τα λευκά εγκλείσματα ήταν, πράγματι, κατασκευασμένα από διάφορες μορφές ανθρακικού ασβεστίου. Και η φασματοσκοπική εξέταση παρείχε ενδείξεις ότι είχαν σχηματιστεί σε ακραίες θερμοκρασίες, όπως θα αναμενόταν από την εξώθερμη αντίδραση που παρήχθη με τη χρήση ασβέστη (quicklime) αντί, ή επιπλέον, του σβησμένου ασβέστη (slaked lime) στο μείγμα. Η καυτή μίξη, συμπέρανε τώρα η ομάδα, ήταν στην πραγματικότητα το κλειδί για την εξαιρετικά ανθεκτική φύση του σκυροδέματος.
«Τα οφέλη της ζεστής ανάμειξης είναι διπλά», λέει ο Masic. «Πρώτον, όταν το συνολικό σκυρόδεμα θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες, επιτρέπει χημικές ουσίες που δεν είναι δυνατές εάν χρησιμοποιούσατε μόνο σβησμένο ασβέστη, παράγοντας ενώσεις που σχετίζονται με υψηλή θερμοκρασία που διαφορετικά δεν θα σχηματίζονταν.
Δεύτερον, αυτή η αυξημένη θερμοκρασία μειώνει σημαντικά τους χρόνους σκλήρυνσης και πήξης, καθώς όλες οι αντιδράσεις επιταχύνονται, επιτρέποντας πολύ πιο γρήγορη κατασκευή».
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θερμής ανάμειξης, οι κλάσεις ασβέστη (lime clasts) αναπτύσσουν μια χαρακτηριστικά εύθραυστη νανοσωματιδιακή αρχιτεκτονική, δημιουργώντας μια εύκολα διαλυτή και αντιδραστική πηγή ασβεστίου, η οποία, όπως πρότεινε η ομάδα, θα μπορούσε να προσφέρει μια κρίσιμη λειτουργία αυτο-ίασης. Μόλις αρχίσουν να σχηματίζονται μικροσκοπικές ρωγμές μέσα στο σκυρόδεμα, μπορούν κατά προτίμηση να ταξιδεύουν μέσα από τις ασβεστοκλάστες υψηλής επιφάνειας.
Αυτό το υλικό μπορεί στη συνέχεια να αντιδράσει με το νερό, δημιουργώντας ένα κορεσμένο με ασβέστιο διάλυμα, το οποίο μπορεί να ανακρυσταλλωθεί ως ανθρακικό ασβέστιο και γρήγορα να γεμίσει τη ρωγμή ή αντιδράσει με ποζολανικά υλικά για να ενισχύσει περαιτέρω το σύνθετο υλικό. Αυτές οι αντιδράσεις γίνονται αυθόρμητα και ως εκ τούτου θεραπεύουν αυτόματα τις ρωγμές πριν εξαπλωθούν. Προηγούμενη υποστήριξη αυτής της υπόθεσης βρέθηκε μέσω της εξέτασης άλλων δειγμάτων ρωμαϊκού σκυροδέματος που εμφάνιζαν ρωγμές γεμάτες με ασβεστίτη.
Για να αποδείξει ότι αυτός ήταν πράγματι ο μηχανισμός που ευθύνεται για την ανθεκτικότητα του ρωμαϊκού σκυροδέματος, η ομάδα παρήγαγε δείγματα θερμού αναμεμειγμένου σκυροδέματος που ενσωμάτωσαν τόσο αρχαία όσο και σύγχρονα σκευάσματα, δημιούργησαν σκόπιμα ρωγμές και στη συνέχεια έριξαν νερό μέσα από τις ρωγμές.
Μέσα σε δύο εβδομάδες οι ρωγμές είχαν επουλωθεί πλήρως και το νερό δεν μπορούσε πλέον να ρεύσει. Ένα πανομοιότυπο κομμάτι σκυροδέματος κατασκευασμένο χωρίς άσβεστο δεν επουλώθηκε ποτέ και το νερό απλώς συνέχισε να ρέει μέσα από το δείγμα. Ως αποτέλεσμα αυτών των επιτυχημένων δοκιμών, η ομάδα εργάζεται για την εμπορευματοποίηση αυτού του τροποποιημένου υλικού τσιμέντου.
«Είναι συναρπαστικό να σκεφτόμαστε πώς αυτές οι πιο ανθεκτικές συνθέσεις σκυροδέματος θα μπορούσαν να επεκτείνουν όχι μόνο τη διάρκεια ζωής αυτών των υλικών, αλλά και πώς θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ανθεκτικότητα των σκευασμάτων σκυροδέματος που εκτυπώνονται με 3D τεχνικές», λέει ο Masic.
Μέσω της εκτεταμένης λειτουργικής διάρκειας ζωής και της ανάπτυξης μορφών σκυροδέματος ελαφρύτερου βάρους, ελπίζει ότι αυτές οι προσπάθειες θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων της παραγωγής τσιμέντου, η οποία επί του παρόντος ευθύνεται για περίπου το 8% των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου.
Μαζί με άλλα νέα σκευάσματα, όπως το σκυρόδεμα που μπορεί πραγματικά να απορροφήσει διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα, μια άλλη τρέχουσα ερευνητική εστίαση του εργαστηρίου Masic, αυτές οι βελτιώσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μείωση του παγκόσμιου αντίκτυπου του σκυροδέματος στο κλίμα.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Science Advances.
Με πληροφορίες από το MIT News