Starověcí Římané byli velmi zdatní inženýři a stavitelé. Dokládá to množství skvostných památek, které se uchovaly z dob Římské říše. Jsou staré kolem dvou tisíc let, a přesto je řada z nich ve velmi slušném stavu. Mnohé římské stavby jsou přitom postavené z části nebo kompletně z betonu, jako například chrám všech bohů Pantheon v Římě, jehož obrovská kupole je betonová.
Pro dnešní inženýry a materiálové vědce je antický římský beton velkou výzvou. Tajemství jeho výroby bylo totiž ztraceno během doby temna, která zahalila západní svět po pádu Římské říše. V současnosti sice vyrábíme beton, ale jeho vlastnosti jsou v porovnání s antickým betonem ostudné. Moderní betonové stavby se v mnoha případech rozpadají během pár desetiletí.
Až doposud byly pokusy odhalit recept na velice odolný konstrukční materiál Římské říše marné. Řešení letité záhady nedávno nabídl tým amerických a evropských odborníků, který vedl Admir Masic z amerického Massachusettského technologického institutu MIT. Výsledky jejich výzkumu zveřejnil vědecký časopis Science Advances.
Pucolán, nebo...?
Odborníci byli dlouhá léta přesvědčeni, že klíčem k neuvěřitelné trvanlivosti římského betonu, který velmi dobře odolává počasí, odpadní a mořské vodě nebo také dlouhodobé seismické činnosti, je jemný vulkanický popel zvaný pucolán. Římané ho těžili v Puzzuoli v Neapolském zálivu i na řadě dalších míst a vozili ho na stavby po celé říši.
Masicův tým studoval mikrostrukturu římského betonu, který pocházel z lokality Privernum ve střední Itálii. Zajímali se o milimetrové kousky jasně bílého zbarvení, známé jako vápnité klastické částice (anglicky lime clasts), které se nacházejí v antickém římském betonu, ale v moderních betonech nikoliv. Doposud byly považovány za vedlejší produkt nedbalého míchání betonu nebo použití nekvalitních surovin.
Masic s kolegy se s tím ale nesmířili a zmíněné částice detailně prostudovali pomocí pokročilých metod zobrazování a chemických analýz. Zjistili, že právě vápnité klastické částice poskytují římskému betonu samoopravné schopnosti, o nichž jsme doposud nevěděli. Spektroskopické analýzy prozradily, že je tvoří uhličitan vápenatý, a že vznikly za velmi vysoké teploty.
Klíčem je horké míchání
Doteď převažoval názor, že Římané při výrobě betonu používali hašené vápno. Jak ale zjistil Masicův tým, tento postup nevede ke vzniku pozorovaných vápnitých klastických částic. K tomu je nutné použít reaktivnější pálené vápno, čili oxid vápenatý. Při takovém „horkém míchání“ (anglicky hot mixing) vzniká dostatečně vysoká teplota a díky ní i klastické částice.
Právě horké míchání betonu by mělo být oním velice dlouho a usilovně hledaným tajemstvím výroby superodolného římského betonu. Podle Masice se s horkým mícháním pojí dvě zásadní výhody. Betonová směs se zahřeje na vysokou teplotu, díky čemuž v betonu vzniknou látky a struktury, které by jinak nevznikly. Zároveň dochází k podstatnému urychlení výroby betonu a tím i celé stavby.
Badatelé své závěry potvrdili v sérii experimentů. Vyrobili vzorky různých typů betonu podle moderních i starověkých receptů. Poté je záměrně poškodili, vystavili vodě a sledovali, co se bude dít. Beton vyrobený horkým mícháním se během dvou týdnů samovolně zacelil, zatímco beton vyrobený bez použití páleného vápna takovou schopnost neměl. Vědci teď pracují na komerčním využití svého objevu.
Titulní foto: Rabax63, CC BY-SA 4.0