Ρωμαϊκό μπετόν: Πώς επουλώνει τις ρωγμές του – Η αντοχή στον χρόνο

Τον μηχανισμό με τον οποίο το σκυρόδεμα των αρχαίων Ρωμαίων μπορούσε να αυτοϊαθεί από τις ζημιές που επέφεραν ο χρόνος και η υγρασία ανακάλυ...

Τον μηχανισμό με τον οποίο το σκυρόδεμα των αρχαίων Ρωμαίων μπορούσε να αυτοϊαθεί από τις ζημιές που επέφεραν ο χρόνος και η υγρασία ανακάλυψαν αμερικανοί ερευνητές, οι οποίοι σκοπεύουν να αντιγράψουν τη «συνταγή» στα σημερινά κτίρια.

Μερικά από τα πιο εμβληματικά έργα του ρωμαϊκού πολιτισμού, τα οποία στολίζουν ακόμη κάποιες πόλεις, κατασκευάστηκαν με βάση το σκυρόδεμα ή αλλιώς μπετόν.

Το υλικό αυτό, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως μέχρι και σήμερα για την κατασκευή των κτιρίων, είχε κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, τα οποία επέτρεψαν στις ρωμαϊκές κατασκευές να αντέξουν στο πέρασμα του χρόνου.

Επί χρόνια οι επιστήμονες επιχειρούν να ανακαλύψουν τα ρωμαϊκά μυστικά δόμησης προκειμένου να τα αξιοποιήσουν για την παρασκευή ανθεκτικότερου σκυροδέματος. Σε πρόσφατη δημοσίευση στην επιστημονική επιθεώρηση «Science Advances», αμερικανοί επιστήμονες από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) παρουσίασαν ένα συναρπαστικό εύρημα σχετικά με τη σύσταση του ρωμαϊκού μπετόν: το υλικό αυτό είχε την ικανότητα να επουλώνει τις ρωγμές που δημιουργούνται στο εσωτερικό του με το πέρασμα του χρόνου, διατηρώντας την ακεραιότητα του οικοδομήματος! Ας δούμε με περισσότερες λεπτομέρειες, όμως, με ποιον τρόπο οι Ρωμαίοι είχαν καταφέρει χιλιάδες χρόνια πριν να κατασκευάσουν ένα τόσο ανθεκτικό υλικό.

Ανθεκτικότητα στα χρόνια

Εδώ και πολλά χρόνια οι ερευνητές έχουν αναγνωρίσει ότι πολλά υλικά τα οποία χρησιμοποιούνταν στην αρχαιότητα αποδείχθηκαν εξαιρετικά ισχυρά στο πέρασμα του χρόνου. Οι επιστήμονες μελετούν τα υλικά αυτά, όχι μόνο για να κατανοήσουν καλύτερα τις κατασκευαστικές τεχνικές του παρελθόντος, αλλά και για να βρουν πιθανούς τρόπους ενίσχυσής τους, τους οποίους θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν στα σύγχρονα υλικά.

Ενα από τα αρχαία υλικά το οποίο έχει εξαιρετικές ιδιότητες ανθεκτικότητας είναι το ρωμαϊκό σκυρόδεμα. Το υλικό αυτό χρησιμοποιήθηκε κατά τη ρωμαϊκή εποχή για την κατασκευή ενός πλήθους υποδομών, όπως υδραγωγείων, δρόμων, γεφυρών αλλά και εμβληματικών κτιρίων. Πολλές από αυτές τις κατασκευές παραμένουν ύστερα από χιλιάδες χρόνια σε πολύ καλή κατάσταση, παρ’ όλο που έχουν υποστεί πολλές καταπονήσεις από τις περιβαλλοντικές αλλαγές, από σεισμικές δονήσεις ή ακόμη και από την επαφή τους με το θαλασσινό νερό. Είναι ενδεικτικό μάλιστα ότι η ανθεκτικότητα αυτών των κατασκευών επιτυγχανόταν χωρίς τη χρήση οπλισμού στο σκυρόδεμα, δηλαδή χωρίς αυτό να ενισχυθεί από σιδερένιες ράβδους, οι οποίες ενισχύουν την αντοχή της συνολικής κατασκευής. Εύλογα λοιπόν οι σύγχρονοι επιστήμονες μελετούν τις φυσικοχημικές ιδιότητες του ρωμαϊκού σκυροδέματος, ώστε να ανακαλύψουν τα μυστικά της «μακροζωίας» του.

Τα δείγματα σκυροδέματος που μελέτησαν οι ερευνητές του MIT ελήφθησαν από την αρχαιολογική θέση του Privernum, κοντά στη Ρώμη. Η αρχαιoλογική θέση όπου φαίνεται το σημείο συλλογής των δειγμάτων από την αρχαία πόλη.

Μυστικά κρυμμένα στο μπετόν

Προηγούμενες έρευνες έχουν δείξει ότι ένα από τα υλικά τα οποία προσέδιδαν ανθεκτικότητα στο ρωμαϊκό σκυρόδεμα είναι οι φυσικές ποζολάνες. Πρόκειται για ορυκτά τα οποία περιέχουν ενώσεις του αργιλίου και του πυριτίου. Τα στοιχεία αυτά, παρουσία υδρασβέστου, αντιδρούν προς ασβεστοπυριτικές και ασβεσταργιλικές ενώσεις οι οποίες προσδίδουν τη χαρακτηριστική αντοχή στο σκυρόδεμα.

Ενα χαρακτηριστικό παράδειγμα φυσικής ποζολάνης είναι η ηφαιστειακή τέφρα, η οποία χρησιμοποιούνταν ευρέως για την παραγωγή ρωμαϊκού σκυροδέματος. Προηγούμενες έρευνες έχουν δείξει ότι σε περίπτωση ρωγμής του ρωμαϊκού σκυροδέματος η υγρασία που εισχωρούσε στις ρωγμές αντιδρούσε με κόκκους ελευθέρας ασβέστου προς παραγωγή υδρασβέστου. Η υδράσβεστος αυτή αντιδρούσε με τη σειρά της με την τέφρα, παράγοντας ασβεστοπυριτικές ενώσεις που επούλωναν τη ρωγμή. «Είναι γνωστό ότι οι αντιδράσεις που προκαλούνται από την παρουσία ηφαιστειακών συστατικών στο σκυρόδεμα συμβάλλουν καθοριστικά στην ενίσχυση του ρωμαϊκού σκυροδέματος» σημειώνει στο ΒΗΜΑ-Science ο δρ Αντμίρ Μάσιτς, καθηγητής στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Περιβαλλοντικής Μηχανικής του ΜΙΤ.

Η παρουσία της τέφρας έχει αποδειχθεί λοιπόν ως ένας καθοριστικός παράγοντας που επιτρέπει την αυτοΐαση του σκυροδέματος, δηλαδή την ικανότητα του υλικού να αντιδρά αυτόνομα και αυτόματα σε εξωτερικά βλαπτικά ερεθίσματα. Στην πρόσφατη δημοσίευσή τους οι ερευνητές βρήκαν όμως ότι δεν είναι μόνο η τέφρα που προσέδιδε στο σκυρόδεμα την ικανότητα αυτοΐασης: η παρουσία κόκκων ασβέστη που δεν είχαν αντιδράσει κατά την πήξη του σκυροδέματος ήταν επίσης καθοριστική για την αυτοΐασή του. Για να κατανοήσουμε όμως τη χημική βάση της αυτοΐασης του ρωμαϊκού σκυροδέματος, ας δούμε με ποιον τρόπο δημιουργείται το υλικό αυτό.

Φτιάχνοντας το σκυρόδεμα

Στη σύγχρονη τεχνολογία το σκυρόδεμα δημιουργείται από τη μείξη τσιμέντου, νερού και αδρανών υλικών (χαλικιών και άμμου). Το τσιμέντο είναι μια σκόνη η οποία παρασκευάζεται στις τσιμεντοβιομηχανίες από ασβεστολιθικά και αργιλοπυριτικά πετρώματα ως κύριες πρώτες ύλες. Το αλεσμένο μείγμα των πετρωμάτων πυρώνεται σε θερμοκρασίες ύψους 1.450 βαθμών Κελσίου, με το τελικό προϊόν να είναι ένα στερεό υλικό το οποίο ονομάζεται κλίνκερ. Αυτό έπειτα συναλέθεται με γύψο και ενδεχομένως και άλλα υλικά και δίνει τη σκόνη τσιμέντου. Για να παρασκευαστεί το σκυρόδεμα, το τσιμέντο αναμειγνύεται με νερό και αδρανή υλικά. Τα συστατικά αυτά σχηματίζουν έναν διαχειρίσιμο πολτό, ο οποίος όταν πήξει εμφανίζει εξαιρετική αντοχή.

Σε αντίθεση με τη σύγχρονη πρακτική, οι Ρωμαίοι ακολουθούσαν μια διαφορετική προσέγγιση για την παρασκευή του σκυροδέματος: ως βασικά συστατικά του σκυροδέματος χρησιμοποιούσαν ποζολανικά υλικά ηφαιστειακής προέλευσης και αλεσμένη άσβεστο, η οποία προέκυπτε από πύρωση του ασβεστόλιθου. Τα υλικά αυτά ανακατεύονταν με νερό και έτσι προέκυπτε το ρωμαϊκό σκυρόδεμα.

Σχηματική αναπαράσταση ρωμαϊκού σκυροδέρματος. Με κόκκινο διακρίνονται οι κόκκοι αξειδίου του ασβεστίου οι οποίοι παρέμεναν εγλωβισμένοι και αδρανείς. Η δημιουργία ρωγμών στο σκυρόδεμα και η είσοδος νερού σε αυτές είχε ως αποτέλεσμα την ενυδάτωση των κόκκων οξειδίου του ασβεστίου. Η επαφή νερού και οξειδίου ασβεστίου οδηγούσε αρχικά στην παραγωγή υδρασβέστου. Η αντίδραση της υδρασβέστου με άλλα υλικά του σκυροδέματος οδηγούσε στην επούλωση των πληγών.

Οι κόκκοι ασβέστη κλειδί για την αυτοΐαση

Καθώς όμως οι ρωμαίοι τεχνίτες ανακάτευαν τα υλικά αυτά, διάχυτοι κόκκοι οξειδίου του ασβεστίου (δηλαδή κόκκοι ασβέστη) «εγκλωβίζονταν» στο σκυρόδεμα. «Με τη μέθοδο που χρησιμοποιούσαν οι Ρωμαίοι έμεναν κόκκοι ασβέστη που δεν είχαν αντιδράσει κατά την παρασκευή του σκυροδέματος» σημειώνει ο δρ Μάσιτς, συμπληρώνοντας ότι «οι κόκκοι αυτοί χρησίμευαν ως πηγή επουλωτικού παράγοντα όταν δημιουργούνταν ρωγμές στο ρωμαϊκό σκυρόδεμα».

Οταν λοιπόν με το πέρασμα των χρόνων δημιουργούνταν ρωγμές στο σκυρόδεμα, αυτές διαπερνούσαν και τα κομμάτια οξειδίου του ασβεστίου τα οποία είχαν μείνει ανέπαφα κατά την παρασκευή του σκυροδέματος. Με διάφορες αφορμές – όπως μια απλή βροχόπτωση -, το νερό που διείσδυε στις ρωγμές διαπερνούσε τα θραύσματα του οξειδίου του ασβεστίου. Η επαφή αυτή ενεργοποιούσε μια απλή αλλά πολύτιμη χημική αντίδραση, η οποία επέτρεπε την παραγωγή υδρασβέστου. Η υδράσβεστος αυτή αντιδρούσε με τη σειρά της με άλλα συστατικά που βρίσκονταν στο σκυρόδεμα, σχηματίζοντας στερεές ενώσεις οι οποίες γέμιζαν τη ρωγμή.

Οι επιστήμονες λοιπόν φαίνεται ότι έλυσαν τον γρίφο της θαυμαστής ανθεκτικότητας του ρωμαϊκού σκυροδέματος, αποκρυπτογραφώντας όλες τις διαδικασίες που επέτρεπαν την αυτοΐαση του συγκεκριμένου υλικού. Πλέον, σε συνεργασία με τη νεοφυή ιταλική επιχείρηση DMAT, επιχειρούν να προωθήσουν στην αγορά τσιμέντο το οποίο θα προσδίδει στο σκυρόδεμα ιδιότητες αυτοΐασης παρόμοιες με αυτές του ρωμαϊκού σκυροδέματος.

Προς μια πιο οικολογική δόμηση

Το σκυρόδεμα είναι το πιο διαδεδομένο δομικό υλικό στον κόσμο. Ωστόσο, όπως εξηγούν οι ερευνητές στην επιστημονική δημοσίευση, η παραγωγή του έχει σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η παραγωγή του τσιμέντου τύπου Πόρτλαντ (OPC), το οποίο χρησιμοποιείται για την παραγωγή του σύγχρονου σκυροδέματος, απελευθερώνει για κάθε τόνο παραγόμενου υλικού, μέχρι και έναν τόνο εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Οι εκπομπές αυτές παράγονται κυρίως κατά την πύρωση του ασβεστόλιθου προς παραγωγή κλίνκερ, το οποίο στη συνέχεια αλέθεται για να παραχθεί το τσιμέντο. Είναι ενδεικτικό ότι το ανθρακικό αποτύπωμα της παραγωγής τσιμέντου αντιπροσωπεύει έως και το 8% των συνολικών παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου! Μια μέθοδος για τη μείωση του ανθρακικού αποτυπώματος του τσιμέντου λοιπόν είναι η βελτίωση της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος, μέσω της ενσωμάτωσης της ικανότητας αυτοΐασης.

«Η ανθεκτικότητα του σκυροδέματος στον χρόνο και η ικανότητά του να αυτοεπισκευάζεται σε περίπτωση που προκύψουν μικρορωγμές, είναι παράμετροι οι οποίες θα μπορούσαν να μετριάσουν το περιβαλλοντικό αποτύπωμα του τσιμέντου, επειδή οι κατασκευές θα έχουν μεγαλύτερο χρόνο ζωής» σημειώνει στο ΒΗΜΑ-Science ο καθηγητής Αντμίρ Μάσιτς, συμπληρώνοντας ότι «για τον λόγο αυτόν είναι πολύτιμο να κατανοήσουμε τις διαδικασίες οι οποίες χρησιμοποιούνταν για να κατασκευαστούν τα αρχαία υλικά: μπορούν να μας επιτρέψουν να φτιάξουμε πιο ανθεκτικά και βιώσιμα σύγχρονα υλικά».

Διαβάστε εδώ τη σχετική επιστημονική δημοσίευση.

Πηγή: Π. Τσιμπούκης, Το Βήμα