Το ρωμαϊκό σκυρόδεμα επιβιώνει για σχεδόν 2.000 χρόνια , γιατί;
Ο μάτι του Πάνθεον της Ρώμης, του μεγαλύτερου άοπλου τρούλου από σκυρόδεμα στον κόσμο.
Ένα εργοτάξιο που χρονολογείται σχεδόν 2.000 χρόνια πριν, από την υποτιθέμενη κατάρρευση της Πομπηίας το 79 μ.Χ., αποκάλυψε νέα στοιχεία για το μυστικό πίσω από το εξαιρετικά ανθεκτικό σκυρόδεμα της Αρχαίας Ρώμης.
Πέρυσι, κάτω από την ηφαιστειακή τέφρα που έθαψε την Πομπηία, οι αρχαιολόγοι αποκάλυψαν ένα πλήρως άθικτο εργοτάξιο - ένα σπάνιο στιγμιότυπο ρωμαϊκών οικοδομικών εργασιών παγωμένο στο χρόνο. Αυτό το σημείο περιλαμβάνει τακτοποιημένες στοίβες υλικών, συμπεριλαμβανομένων των συστατικών που χρησιμοποιούνται για την ανάμειξη του περίφημα ανθεκτικού σκυροδέματος πίσω από μνημεία όπως το Πάνθεον, του οποίου ο τεράστιος άοπλος τρούλος στέκεται εδώ και χιλιετίες.
Μια ολοκαίνουργια ανάλυση αποκαλύπτει ότι το μυστικό είναι μια τεχνική που ο επιστήμονας υλικών Admir Masic του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT) αποκαλεί «θερμή ανάμειξη». Περιλαμβάνει την άμεση ανάμειξη των συστατικών του σκυροδέματος: ένα μείγμα ηφαιστειακής τέφρας που ονομάζεται ποζολάνη, μαζί με άσβεστο, το οποίο αντιδρά με το νερό για να παράγει έντονη θερμότητα μέσα στο μείγμα. «Τα οφέλη της θερμής ανάμειξης είναι διπλά», είπε ο Masic το 2023, όταν ανακάλυψε για πρώτη φορά την τεχνική μέσω πειραματισμού.
«Πρώτον, όταν το συνολικό σκυρόδεμα θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες, επιτρέπει χημικές αντιδράσεις που δεν είναι δυνατές αν χρησιμοποιούσατε μόνο ασβέστη, παράγοντας ενώσεις που σχετίζονται με υψηλή θερμοκρασία και οι οποίες διαφορετικά δεν θα σχηματίζονταν. Δεύτερον, αυτή η αυξημένη θερμοκρασία μειώνει σημαντικά τους χρόνους σκλήρυνσης και πήξης, καθώς όλες οι αντιδράσεις επιταχύνονται, επιτρέποντας πολύ ταχύτερη κατασκευή».Ένα τρίτο, και κρίσιμο, πλεονέκτημα είναι ότι τα κομμάτια ή κλάστες ασβέστη που έχουν επιβιώσει δίνουν στο σκυρόδεμα μια αξιοσημείωτη ικανότητα αυτοΐασης. Αυτός θα μπορούσε να είναι ένας σημαντικός λόγος για τον οποίο τα αρχαία ρωμαϊκά μνημεία εξακολουθούν να στέκονται ενώ άλλοι πολιτισμοί έχουν καταρρεύσει.
Όταν σχηματίζονται ρωγμές στο σκυρόδεμα, αυτές διαδίδονται κατά προτίμηση προς τους κλάστες ασβέστη, οι οποίοι έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια από άλλα σωματίδια μήτρας. Όταν το νερό εισέρχεται στη ρωγμή, αντιδρά με τον ασβέστη για να σχηματίσει ένα διάλυμα πλούσιο σε ασβέστιο που στεγνώνει και σκληραίνει ως ανθρακικό ασβέστιο, κολλώντας ξανά τη ρωγμή και εμποδίζοντας την περαιτέρω εξάπλωσή της.
Μερικά από τα τακτοποιημένα δομικά υλικά που βρέθηκαν στο χώρο. (Αρχαιολογικό Πάρκο της Πομπηίας).
«Υπάρχει η ιστορική σημασία αυτού του υλικού, και έπειτα υπάρχει η επιστημονική και τεχνολογική σημασία της κατανόησής του», λέει ο Masic. «Αυτό το υλικό μπορεί να αυτοθεραπευτεί για χιλιάδες χρόνια, είναι αντιδραστικό και είναι εξαιρετικά δυναμικό. Έχει επιβιώσει από σεισμούς και ηφαίστεια. Έχει αντέξει κάτω από τη θάλασσα και έχει επιβιώσει από την υποβάθμιση από τα στοιχεία της φύσης».
Αν και η τεχνική θερμής ανάμειξης προσέφερε λύσεις στα αινίγματα που έθεταν το ρωμαϊκό σκυρόδεμα, έθεσε ένα νέο: Η συνταγή δεν ταίριαζε με την περιγραφή του τρόπου κατασκευής του δομικού υλικού στην πραγματεία του 1 π.Χ. Περί αρχιτεκτονικής του αρχιτέκτονα Βιτρούβιου.
Η μέθοδος του Βιτρούβιου περιελάμβανε πρώτα την ανάμειξη του ασβέστη με νερό σε μια διαδικασία γνωστή ως σβήσιμο, πριν από την ανάμειξη του σβησμένου ασβέστη με την ποζολάνη. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία δεν παράγει τους κλάστες ασβέστη που παρατηρούνται σε πραγματικά ρωμαϊκά δείγματα σκυροδέματος. Αυτή η αναντιστοιχία έχει προβληματίσει εδώ και καιρό τους επιστήμονες.
Τα γραπτά του Βιτρούβιου αντιπροσωπεύουν τα πιο πλήρη σωζόμενα έγγραφα για τη ρωμαϊκή αρχιτεκτονική και κατασκευή. Περιγράφει μια τεχνική που ονομάζεται opus caementicium για την κατασκευή τοίχων, αλλά τα φυσικά δείγματα από αρχαία κτίρια έρχονταν σε αντίθεση με τις οδηγίες του.
Τα υλικά της Πομπηίας έλυσαν το μυστήριο. Ο Μάσιτς και η ομάδα του χρησιμοποίησαν ισοτοπική ανάλυση σε 5 από τους ξηρούς σωρούς υλικών, αναγνωρίζοντας ποζολάνη από ελαφρόπετρα και λιθική τέφρα, άσβεστο, ακόμη και κλάστες ασβέστη. Ένας τοίχος στην τοποθεσία στην Πομπηία με την ανάλυση σύνθεσης να επικαλύπτεται στα δεξιά. (Αρχαιολογικό Πάρκο της Πομπηίας).
Το πιο χαρακτηριστικό είναι ότι αυτά τα ξηρά συστατικά ήταν προ-αναμεμειγμένα - ένα αρχαιολογικό όπλο καπνίσματος. Κάτω από το μικροσκόπιο, τα δείγματα κονιάματος από τα τοιχώματα αποκάλυψαν αδιαμφισβήτητες υπογραφές θερμής ανάμειξης: θραύσματα ασβεστολιθικών θραυσμάτων, πλούσιες σε ασβέστιο άκρες αντίδρασης που εξελίχθηκαν σε σωματίδια ηφαιστειακής τέφρας και μικροσκοπικούς κρυστάλλους ασβεστίτη και αραγωνίτη που σχηματίστηκαν μέσα σε κυστίδια ελαφρόπετρας.
Η φασματοσκοπία Raman επιβεβαίωσε τους μετασχηματισμούς των ορυκτών, ενώ η ανάλυση ισοτόπων έδειξε τις χημικές οδούς ενανθράκωσης με την πάροδο του χρόνου. «Μέσω αυτών των μελετών σταθερών ισοτόπων, μπορέσαμε να παρακολουθήσουμε αυτές τις κρίσιμες αντιδράσεις ενανθράκωσης με την πάροδο του χρόνου, επιτρέποντάς μας να διακρίνουμε τον θερμά αναμεμειγμένο ασβέστη από τον σβησμένο ασβέστη που περιέγραψε αρχικά ο Βιτρούβιος», λέει ο Masic.
«Αυτά τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι οι Ρωμαίοι προετοίμαζαν το συνδετικό τους υλικό λαμβάνοντας πυρωμένο ασβεστόλιθο (άσβεστο), αλέθοντάς τον σε ένα ορισμένο μέγεθος, αναμειγνύοντάς τον σε ξηρή μορφή με ηφαιστειακή τέφρα και στη συνέχεια προσθέτοντας τελικά νερό για να δημιουργήσουν μια μήτρα τσιμέντου». Αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι ο Βιτρούβιος έκανε λάθος - μπορεί να περιέγραψε μια εναλλακτική μέθοδο για την κατασκευή σκυροδέματος ή ότι το έργο του μπορεί να έχει παρερμηνευτεί - αλλά δείχνει ότι η πιο ανθεκτική μορφή του υλικού έπρεπε να προκύψει από την τεχνική της θερμής ανάμειξης. Αυτή, πιστεύουν οι ερευνητές, είναι πληροφορία που μπορεί να ενσωματωθεί στον τρόπο που κατασκευάζουμε σκυρόδεμα, πολλούς αιώνες μετά την πτώση της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας, αφήνοντας τα μνημεία της όρθια ως υπενθύμιση όχι μόνο του μεγαλείου της αλλά και της εφευρετικότητας του λαού της.
Το σύγχρονο σκυρόδεμα είναι ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα δομικά υλικά στον κόσμο. Έχει επίσης αξιοσημείωτη έλλειψη ανθεκτικότητας, συχνά καταρρέει σε δεκαετίες υπό περιβαλλοντική πίεση. Η παραγωγή του είναι επίσης τρομερή για το περιβάλλον, απαιτώντας τεράστιο κόστος πόρων και συμβάλλοντας στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου.
Η απλή βελτίωση της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος έχει τη δυνατότητα να το κάνει σημαντικά πιο βιώσιμο. "Δεν θέλουμε να αντιγράψουμε πλήρως το ρωμαϊκό σκυρόδεμα σήμερα. Θέλουμε απλώς να μεταφράσουμε μερικές προτάσεις από αυτό το βιβλίο γνώσεων στις σύγχρονες κατασκευαστικές μας πρακτικές", λέει ο Masic, ο οποίος έχει ξεκινήσει μια εταιρεία που ονομάζεται DMAT για να κάνει ακριβώς αυτό. «Ο τρόπος με τον οποίο αυτοί οι πόροι στα ηφαιστειακά συστατικά μπορούν να γεμιστούν μέσω ανακρυστάλλωσης είναι μια ονειρική διαδικασία που θέλουμε να μεταφράσουμε στα σύγχρονα υλικά μας. Θέλουμε υλικά που αναγεννώνται μόνα τους.» Η έρευνα έχει δημοσιευτεί στο Nature Communications.
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα sciencealert
περισσότερα,
https://www.sciencealert.com/we-finally-know-why-roman-concrete-has-survived-for-nearly-2000-years