Tajemnice doskonałego cementu

Badania starożytnego falochronu pozwoliły uczonym na poznanie tajemnic doskonałego rzymskiego betonu. W połowie XX wieku betonowe struktury projektowano tak, by przetrwały 50 lat i wiele z nich już przekroczyło tę granicę. Obecnie projektujemy budynki, które mają wytrzymać 100-120 lat - mówi szef grupy badawczej, profesor Paulo Monteiro z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Tymczasem wspomniany falochron przez ostatnie 2000 lat był zanurzony w Morzu Śródziemnym i przetrwał fizyczne oraz chemiczne oddziaływanie jego wód.

To nie oznacza, że współczesny cement nie jest dobry. Jest tak dobry, że produkujemy go 19 miliardów ton rocznie. Problem w tym, że wytwarzanie cementu portlandzkiego odpowiada za aż 7% przemysłowej emisji CO₂ do atmosfery - wyjaśnia Monteiro.
Cement portlandzki służy jako spoiwo współczesnych betonów. Aby go uzyskać konieczna jest temperatura 1450 stopni Celsjusza. Rzymianie wytwarzali swój doskonały cement w temperaturze 900 stopni Celsjusza, zużywając przy tym znacznie mniej paliwa.

Rzymianie produkowali cement z mieszaniny wapna i skał wulkanicznych. Gatunek stosowany do struktur podwodnych składał się z wapna i popiołu wulkanicznego, a tak uzyskaną zaprawę mieszano z tufem i umieszczano w drewnianych formach. Po zanurzeniu w wodzie dochodziło do natychmiastowej gorącej reakcji. Wapno ulegało uwodnieniu i reagowało z popiołem. Powstawał wyjątkowo odporny cement.

Szczęśliwie dla nas, przetrwały opisy używanego popiołu. Witruwiusz, inżynier pierwszego cesarza Imperium Oktawiana Augusta, a później Pliniusz Starszy przekazali, że najlepszy cement do zastosowań w morzu wytwarzano z popiołów wulkanicznych z okolic Zatoki Neapolitańskiej. Szczególnie ceniono ten, który znajduje się w pobliżu współczesnego miasta Pozzuoli, zwany pucolana. Obecnie wiemy, że popiół tego typu i zbudowane z niego skały wulkaniczne występują w wielu miejscach na świecie.

Naukowcy wykorzystali wiele współczesnych narzędzi, takich jak np. Advanced Light Source z Berkeley Lab, eksperymentalne urządzenia z saudyjskiego Universytetu Nauki i Technologii im. Króla Abudllaha czy niemiecki synchrotron BESSY, dzięki którym poznali główne różnice pomiędzy cementem portlandzkim a cementem Rzymian.

Cement portlandzki składa się z wapnia, krzemianów i hydratów (C-S-H). Tymczasem cement rzymski to mieszanka wapnia, aluminium, znacznie mniejszej ilości związków krzemu oraz hydratów (C-A-S-H). Tworzą one wyjątkowo stabilny materiał wiążący. Z najnowszych badań wynika, że to dzięki szczególnemu sposobowi w jaki aluminium zastępuje związki krzemu Rzymianom udało się uzyskać niezwykle wytrzymały cement.

Inne zdumiewające odkrycie zespołu Monteiro pokazuje, że współczesnej technologii nie udało się uzyskać tego, na czym jej zależało, a co uzyskali Rzymianie. Teoretycznie struktura C-S-H w cemencie portlandzkim ma przypominać naturalnie występujący minerał tobermoryt. Niestety jego kryształów nie ma w cemencie portlandzkim. Są za to obecne w cemencie z czasów Imperium. Badania tych kryształów dowiodły, że ich połączenie z aluminium znakomicie zwiększa wytrzymałość cementu Rzymian i może być wzorcem dla cementu przyszłości. Jakby jeszcze tego było mało, w rzymskim cemencie znaleziono wiele innych minerałów, które mogą posłużyć do stworzenia cementu o wysokiej wytrzymałości nadającego się do przechowywania najbardziej niebezpiecznych odpadów.

Obecnie produkuje się cementy z dodatkiem popiołów wulkanicznych czy popiołów z elektrowni. Jednak przed badaniami Monteiro nie było wiadomo, jaki jest dokładny skład doskonałego ekologicznego cementu używanego w Imperium Rzymskim. Teraz wiemy, że wapno stanowiło wagowo mniej niż 10% rzymskiego cementu, że był on wytwarzany w temperaturze znacznie niższej niż cement portlandzki, że reagowało ono z bogatym w aluminium popiołem wulkaniczym oraz z wodą morską.

Pucolana jest ważna ze względu na praktyczne zastosowania. Może zastąpić nawet 40% światowego zapotrzebowania na cement portlandzki. A jej źródła są na całym świecie. Arabia Saudyjska nie posiada żadnych popiołów lotnych, ale ma całe góry pucolany - mówi Monteiro.

cement cement portlandzki pucolana Imperium Rzymskie Rzym