Betonas yra viena iš medžiagų, iš kurių pastatyta mūsų civilizacija. Tačiau kartu jis nėra ir naujas. Kažką panašaus naudojo majai, betonas buvo gaminamas ir Artimuosiuose rytuose bei Graikijoje. Senovės Romoje betonas itin intensyviai naudotas nuo 4-ojo amžiaus prieš mūsų erą iki 476-ųjų. Ir daug to betono statinių yra išlikę iki mūsų dienų. Tuo tapu skaičiuojama, kad kanalizacijų konstrukcijas, pastatytas iš įprasto Portlando tipo betono, gali tekti remontuoti jau po poros dešimtmečių. Tai negi Senovės Romoje buvo žinoma kokia nors paslaptis, kurią mes praradome kartu su itin stipriu, ilgaamžiu betonu?
Iš tikrųjų, ir dabar gaminame labai stiprų betoną. Šiuolaikinės technologijos leidžia pagaminti gerokai stipresnį ir, tikriausiai, ilgaamžiškesnį betoną nei Senovės Romos inžinieriai galėjo pasvajoti. Tiesiog šiais laikais betonas gaminamas pagal tam tikras specifikacijas, balansuojant tarp kainos, statybų paparastumo, greičio ir kokybės. Nėra prasmės naudoti brangias betonines konstrukcijas, jei vienas ar kitas infrastruktūros objektas po poros dešimtmečių bus keičiamas kažkuo nauju.
Minėjome Viduržemio jūros sienas, statytas prieš porą tūkstantmečių. Tai - savotiški molai, saugoję pakrantę nuo bangų erozijos. Naujas mokslinis tyrimas aprašė įdomią sūraus vandens ir romėniško betono sąveiką. Senovės Romos betono mišinyje buvo nemažai vulkaninių pelenų. Sūrus vanduo tirpina pelenus, formuodamas aliuminio tobermorito kristalus, kurie, pasirodo, dar labiau sustiprina betoną. Taigi, norint sustiprinti modernų betoną, reikėtų pridėti aliuminio tobermorito kristalų?
Iš tikrųjų, norint greičiau pasiekti panašų efektą reikėtų įkaitinti betoną iki 70 laipsnių Celsijaus. Tai iš esmės yra energijos švaistymas, kuris dar dali ir susilpninti betono konstrukciją. Romėnų betono paslaptis yra ta, kad sūrus jūros vanduo aliuminio tobermorito kristalus formavo po truputį, per šimtus ir tūkstančius metų. Mokslininkai panašų efektą pastebėjo betono mėginiuose, paimtuose iš Japonijos Hamaokos atominės elektrinės, veikusios 1976-2006 metais. Per šį laiką betonas reguliariai pasiekdavo 40-55 °C temperatūrą. To pakako, kad betone susiformuotų aliuminio tobermorito kristalai.
Šis tyrimas yra ne tik labai įdomus, bet ir labai vertingas. Neapsigaukite - pasinaudodami šiuolaikinmis technologijomis galime sukurti žymiai stipresnį betoną nei romėnai. Tiesiog neaišku, kaip jis sens. Didžioji dalis betono mišinių tyrimų atliekama laboratorijose - tie bandymai yra greiti ir efektyvūs, bet negali atskleisti, kaip kis betono konstrukcijų tvirtumas laikui bėgant. Aut. Kaip pažymi leidinys Livescience, tarp tokių ilgai stovinčių statinių galima paminėti Panteoną Romoje, Romos akveduktus Segovijoje (Ispanija) ir Romos pirtis Anglijoje. Romėnų betonas buvo unikalus mišinys, kuris darė stebuklus. „Betonas pastatė imperiją“, - teigė Oregono universiteto klasikinės filologijos katedros docentas Kevinas Dikuss. Pasak jo, romėnai savo betoną naudojo dar III a. pr. m. Romėnai naudojo pelenus iš vulkaninių sluoksnių iš Počuolio miesto ir vežė juos po visą imperiją. Silicis ir aliuminis pelenuose reaguoja su kalkėmis ir vandeniu puzolano reakcijoje esant aplinkos temperatūrai, dėl to gaunamas tvirtesnis ir ilgesnės trukmės betonas. Šios nuolaužos suteikia romėnų betonui savybę savaime atsinaujinti. Reaguodami su vandeniu, likučiai sukuria kristalus, vadinamus kalcitu, kurie užpildo įtrūkimus. Net ir šiandien nėra nieko geresnio, kaip paliesti romėnų sieną. Mokslininkai teigia išsiaiškinę, kodėl romėnų betonas yra toks atsparus - pasirodo, kad mišinyje naudotos negesintos kalkės galėjo suteikti medžiagai „savaiminio gijimo“ savybių. Pasak Jutos universitete (JAV) senovės romėnų betoną tyrinėjančios geologės Marie Jackson, šis atradimas galėtų padėti inžinieriams pagerinti šiuolaikinio betono savybes.
Romėnai nebuvo pirmieji, išradę betoną, tačiau jie buvo pirmieji, pradėję jį masiškai naudoti. Iki 200 m. pr.m.e. betonas buvo naudojamas daugumoje jų statybos projektų. Romėnų betoną sudarė gesintų kalkių, smulkių dalelių ir uolienų fragmentų, išmestų per ugnikalnių išsiveržimus, ir vandens mišinys. Šiuolaikinis betonas paprastai gaminamas iš kalkakmenio, molio, smėlio, kreidos ir kitų sudedamųjų dalių mišinio, kuris sumalamas ir degamas aukštoje temperatūroje. Toks betonas pradeda trupėti jau po 50 metų.
Mokslininkai anksčiau bandė paaiškinti, kodėl romėnų betonas toks ilgaamžis. Pavyzdžiui, 2017 m. tyrėjai nustatė, kad - bent jau vandenyno veikiamų konstrukcijų atveju - jūros vanduo reagavo su betono sudedamosiomis dalimis, sukurdamas naujus, tvirtesnius mineralus. Tačiau kodėl? Kad tai išsiaiškintų, Masačusetso technologijos instituto (JAV) chemikas Admiras Masicas su kolegomis surinko betono mėginius iš senovinės miesto sienos Priverne, 2000 metų senumo archeologinėje vietovėje netoli Romos. Grįžę į laboratoriją, jie sutelkė dėmesį į mažas kalcio nuosėdas, įsiterpusias į betoną. Anksčiau mokslininkai spėliojo, kad šie maži gabalėliai atsirado dėl to, kad romėnai blogai sumaišė betoną. Tyrėjai manė, kad plačiai paplitę balti milteliai, gaminami iš deginto kalkakmenio, maišymo metu turėjo reaguoti su vandeniu, sukeldami cheminę reakciją, dėl kurios susidarė didelis šilumos kiekis, kuris neleido kalkėms visiškai ištirpti, todėl susidarė kalkių gumulėliai. Ir iš tiesų, kai tyrėjai pabandė laboratorijoje iš negesintų kalkių pasigaminti romėnų betoną, jie gavo medžiagą, kuri buvo identiška Priverne surinktiems pavyzdžiams. Komandai sukūrus betone nedidelius įtrūkimus - taip būtų atsitikę medžiagai senstant - ir įpylus vandens (kaip būtų atsitikę realiame pasaulyje lyjant), kalkių gabalėliai ištirpo ir persikristalizavo, veiksmingai užpildydami įtrūkimus ir išlaikydami betoną tvirtą. Šiuolaikinis betonas paprastai „neišsigydo“ didesnių nei 0,2 ar 0,3 mm skersmens įtrūkimų. Jo teigimu, ši medžiaga ne tik būtų pigesnė už dabartinį savaime išsilyginantį betoną, bet ir padėtų kovoti su klimato kaita: cemento gamyba atsakinga už 8 proc. Tokią išvadą priėjo Berkeley Labs tyrimų centro (JAV) profesoriaus Paulo Monteiro vadovaujama tarptautinė medžiagotyros specialistų grupė, tyrinėjusi senovės Romos laikais Viduržemio jūroje pastatytų mūrinių bangolaužių cheminę sudėtį. Išnagrinėję antikinio betono mėginius mokslininkai nustatė, kad ši senovės Romos laikais statytojų naudota statybinė medžiaga tvirtumu pranoksta šiandien dažniausiai naudojamų markių betoną, tačiau ne mažiau svarbus yra ir kitas jo pranašumas: tai ekologiškumas. Pasak tyrėjų, tai anaiptol nereiškia, kad šiuolaikinis cementas yra blogas, tačiau pagrindinė jo rūšis, vadinamasis portlandcementas, kurio pagrindas yra kalcio silikatai, gamybos metu teršia atmosferą šiltnamio dujomis. Pasaulyje kasmet pagaminama apie 19 mlrd. tonų cemento, o tokiai apimčiai tenka apie 7 proc. visų žmonijos technologinės veiklos anglies dvideginio emisijų. Gaminant portlandcementą molio ir klinčių mišinį reikia įkaitinti iki 1450 laipsnių pagal Celsijų temperatūros, o tam naudojamas iškastinis kuras. Tyrimo autoriai nustatė, kad senovės Romos cemento recepte buvo naudojama kur kas mažiau kalkių, o gamybos metu mišinys buvo kaitinamas tik iki 900 laipsnių. Pramoniniu mastu tai leistų smarkiai sutaupyti gamybai būtinų išteklių ir sumažintų CO2 emisijas dėl mažesnės technologinio proceso temperatūros. Taip pat XX a. viduryje betoninės konstrukcijos buvo apskaičiuotos 50 metų eksploatacijos laikotarpiui, o dabar daugelis jų yra priešavarinės būklės. Šiuolaikiniai betoniniai pastatai apskaičiuoti 100 - 120 saugaus eksploatavimo metų, tačiau net ir šis pasiekimas lyginant su senovės romėnų pastatytais uostų apsauginiais įrenginiais atrodo vaikiškai. Šie įrenginiai išlaikė eksploatacines savybes nepaisant 2000 metų ir agresyvaus cheminio bei mechaninio jūros vandens poveikio. Tokio ilgaamžiškumo paslaptis yra ta, kad senovės Romos laikais gaminant cementą į kalkes buvo įmaišoma vulkaninių medžiagų. Statant jūrinius įrenginius buvo naudojamas ypatingos rūšies cementas: į klintis buvo maišoma vulkaninių pelenų. Šiuo mišiniu užpildydavo medines betonavimo formas ir pripildavo jūros vandens, kuris žaibiškai sukeldavo aukštos temperatūros kalkių gesinimo reakciją. Jos rezultatas buvo itin tvirti cementiniai blokai, kurių pagrindinė rišamoji medžiaga buvo ne kalcio, silikatų ir hidratų, o kalcio, aliuminio ir hidrato junginys. Kitaip tariant, senovės Romos betonas nuo šiuolaikinio skyrėsi aliuminio priedu ir mažesniu silicio kiekiu. Skaičiavimai parodė, kad senovės romėnų cemento gamybai reikia 10 proc. mažiau kalkių ir žemesnės mišinio ruošimo temperatūros lyginant su portlandcementu. O vulkaninių pelenai ir jūros vanduo padeda suformuoti itin stabilų cementinį bloką ar kitą betoninę konstrukciją, kuri tarnaus nepalyginamai ilgiau nei šiuolaikinės, sakoma pranešime. Dar vienas antikinio cemento privalumas yra tas, kad jo gamybai reikiamų žaliavų yra per akis, pavyzdžiui, Saudo Arabijoje. Pirminiais tyrimo autorių skaičiavimais romėniškas cementas galėtų užimti iki 40 proc. dabartinės šios statybinės medžiagos pasaulinės rinkos.
REKOMENDUOJAME TOLIAU SKAITYKITE. Tuo tarpu daugelis šiuolaikinių betoninių konstrukcijų suiro per kelis dešimtmečius nuo jų pastatymo. Masačusetso technologijos instituto, Harvardo universiteto ir laboratorijų Italijoje bei Šveicarijoje mokslininkų komanda atrado senovinius betono gamybos būdus, kurie pasižymėjo keliomis pagrindinėmis savireguliacijos funkcijomis. Šios rūšies pelenai buvo platinami visoje Romos imperijoje ir naudojami statybose. Senovinio betono pavyzdžiuose taip pat yra mažų, ryškiai baltų mineralinių elementų, kuriuos lengva identifikuoti kaip kalkių - dar vienos pagrindinės senovinio betono mišinio sudedamosios dalies - daleles. Tačiau vien šiuo procesu kalkių dalelių buvimo paaiškinti negalima. Tyrėjai nustatė, kad baltos dėmelės sudarytos iš įvairių kalcio karbonato formų. Karštas maišymas turi du privalumus. Tada ši medžiaga gali reaguoti su vandeniu ir susidaryti kalcio prisotintas tirpalas, kuris gali persikristalizuoti į kalcio karbonatą ir greitai užpildyti plyšį arba reaguoti su pucolaniniais pelenais ir dar labiau sustiprinti kompozitinę medžiagą. Per dvi savaites romėniškojo betono plyšiai visiškai užsitraukė ir nustojo praleisti vandenį. Dabar komanda siekia komercializuoti „Romos” cemento medžiagą. Mokslininkų teigimu, stipresnės betono formulės gali ne tik padidinti medžiagų patvarumą, bet ir 3D betono spausdintuvų formulių ilgaamžiškumą. Klausimas - ką prarado dabartinė civilizacija, lyginant su ankstesne, kad XXI amžiuje naudoja naudoja statybos technologijas gerokai atsiliekančias net nuo senovės romėnų?
Romos imperijos receptas - vulkaninių pelenų, kalkių (kalcio oksido), jūros vandens ir vulkaninių uolienų trupinių mišinys - buvo naudojamas statant prieplaukas, bangolaužius, uostus. Ankstesniais tyrimais šiuose pagrinduose buvo aptikta tokių kalkių dalelių, kuriose būta mokslininkus labai nustebinusio mineralo - aliuminio tobermorito - pėdsakų. Tačiau tai - ne viskas, ką išsiaiškino Jutos universiteto specialistai. Mokslininkės teigimu, taip buvo aptiktas dar vienas procesas, prisidedantis prie betono tvirtumo didėjimo. Tuo tarpu šiuolaikinis betonas, kurio pagrindas yra Portlando cementas, po sukietėjimo keistis nebeturėtų. „Taikymo sričių daugybė, tačiau norint sukurti tobulesnius mišinius dar reikia atlikti papildomo darbo. Darbo pradžią jau atlikome, tačiau reikia ir daug tikslaus receptų derinimo. Iššūkis - sukurti metodus, kuriais būtų panaudojami įprasti vulkaniniai produktai. Egzistuoja nuomonė, kad cementas ir betonas pastatų restauracijai netinkami. Ši nuomonė grindžiama daugeliu esą tai patvirtinančių „faktų“: atliktų „restauracijų“ rezultatai nedžiugina - paviršiuose matoma drėgmės dėmių, prasimušančios druskos, paviršiuje susidarantis garų kondensatas ir pan. Tačiau iš tiesų šie „rezultatai“ rodo ne neigiamą cemento poveikį, o tik netinkamą, neprofesionalų jo naudojimą. Defektus nulemia ne pati mineralinė rišamoji medžiaga (cementas, kalkės, gipsas), o iš jos pagaminto skiedinio ir betono fizikinės ir mechaninės savybės: poringumas, tankis, atviras poringumas, vandens įgeriamumas ir kt. Visos rišamosios medžiagos skirstomos į orines ir hidraulines. Orinės - tai rišamosios medžiagos, galinčios kietėti tik ore. Prie jų iš tradicinių medžiagų priskiriamas gipsas ir kalkės. Prie hidraulinių - hidraulinės kalkės, romancementis, cementai. Kalkių betono kietėjimas vyksta dviem etapais: džiūvimas ir karbonizacija, todėl kalkės negali džiūti, o vėliau ir karbonizuotis, esant drėgnam paviršiui (W>6 %). Tai reiškia, kad drėgnas mūras negali būti tinkuojamas kalkių skiediniu, nes jis nedžius ir chemiškai nesijungs su anglies dioksidu - tinkas sušus. Šią problemą suprato jau senovės romėnai, o prieš juos, ko gero, - dar ir šumerai bei egiptiečiai. Romėnai pradėjo ieškoti medžiagų, turinčių hidraulinių savybių, t. y. galinčių kietėti drėgnoje aplinkoje. Gamtoje galima surasti susicementavusių medžiagų. Pavyzdžiui, smiltainis yra ne kas kita kaip gamtoje susicementavęs smėlis, todėl smiltainis atsparus vandeniui. Atsitiktinumas (o gal ir intuicija) lėmė, kad romėnai atrado pucolaną - vulkaninės kilmės pelenus. Juos sutrynę ir įmaišę į kalkių skiedinį arba sumaišę kartu su akmenų ir plytų skalda jie išgavo „romėnų betoną“, turintį gerų hidraulinių ir stiprumo savybių. Kartu su „romėnų betonu“ senovės romėnai išrado ir „kiautinio mūro“ sistemą: buvo mūrijami du akmenų mūro kiautai, o tarpai tarp jų pasluoksniui buvo užpildomi „romėnų betonu“.
KIAUTINIS MŪRAS ir gotikiniuose bei barokiniuose statiniuose matomi baltų intarpų pėdsakai rodo, kaip ankstesnės kartos kūrėjai derino įvairias rišamąsias medžiagas su skiediniais. XIII a. Lietuvoje, kaip ir daugelyje Europos regionų, mūrų statybos pradžioje naudojamas būtent kiautinis mūras su užpildu iš romėnų betono ir hidraulinių kalkių. XVIII a. pabaigoje anglų inžinierius Jamesas Parkeris išnagrinėjo senovės Romos dokumentus ir išgavo romancementį - kilnų hidraulinės savybės turintį rišimą. Tuo metu tikrasis cementas buvo išrastas XIX a. pradžioje: Josephas Aspdin iš kepimo metu išgavo portlandcementį, pavadinęs jį pagal gimtąją šalį, bet pats cementas reikšmingai transformavo statybų praktiką. Portlandcementas ir gelžbetonis tapo nuolatinių konstrukcijų pagrindu, o gelžbetonis buvo patobulintas tik 1879 m., kai Gustavas Adolfas Wayssas įvedė armatūrą tempiamoje zonoje.
Svarbu suvokti, kad net ir dabartinis betonas išlieka kilmingos istorijos dalis: jis yra medžiaga, kuri prisitaiko prie aplinkos ir laikui bėgant gali keistis. Cementas, kalkės ir pucolana bei vulkaniniai pelenai suteikė romėnams galimybę kurti didelius kupolus, gynybines sienas ir uostų įrenginius, kurie išlaikė savo funkcijas tūkstantmečius. Tuo tarpu šiandieniniai tyrimai rodo, kad romėnų receptai galėtų būti pritaikyti siekiant sumažinti CO2 emisijas ir padidinti ilgaamžiškumą, net kai kalbama apie modernias 3D betono spausdinimo sistemas.
Romėnų betono istorija skelbia svarbią žinią apie tai, kaip iš paprastų medžiagų galima sukurti išskirtinai patvarias konstrukcijas. Ji taip pat įrodo, kad ekonominiai, ekologiniai ir technologiniai tikslai gali būti suderinti ieškant naujų receptų, kurie derina vulkaninius pelenus, kalkes, jūros vandenį ir kitus mineralus. Šiandieninėje inžinerijoje galima arba bandyti kartoti senovės romėnų betono savybes, arba kurti naujus, augančius iš šios ilgos istorijos, siekiant tvarių sprendimų ateičiai.