Když se zhroutila Římská říše, tak ve svých ruinách pohřbila i mnoho tehdejších vědomostí. Zmizelo i tajemství výroby římského betonu. Materiáloví vědci strávili celé kariéry na tom, aby rozluštili jeho tajemství. Mezinárodní tým odborníku, který vedl Admir Masic z amerického institutu MIT, podle všeho objevil zásadní technologický postup, který zřejmě těsně souvisí s ohromujícími mechanickými vlastnostmi římského betonu.
Všichni si totiž až doposud mysleli, že klíčem k mysteriózním trvanlivosti římského betonu, která se vysmívá našim často uboze křehkým betonovým konstrukcím, je pucolán, jemný sopečný křemičitý popel, který pocházel z Pozzuoli v Neapolském zálivu. Masic si již dávno všiml, že antický římský beton obsahuje milimetrové jasně bílé úlomky, vápnité klastické částice (lime clasts). V moderních betonech ale nejsou. Jejich příběh je nádherným příkladem zhoubného vlivu paradigmatu ve vědě. Je to jako mít trvale zavázané oči.
Dokud panovalo paradigma pucolánu, vápnité klastické částice nikdo nevnímal. Jakoby neexistovaly. Prakticky všichni je považovali za vedlejší produkt chyb při míchání betonu nebo nekvalitních surovin. Masicův tým ale zjistil, že hrají klíčovou roli v samoopravné schopnosti římského betonu. Badatelé se do římského betonu pustili s pokročilými zobrazovacími a analytickými metodami. A nakonec dospěli k překvapivému závěru.
Složení římského betonu
Římský beton tvořil vápenec, sopečný popel, mořská voda a drť z vulkanických vyvřelin. Nyní známe složení betonu jako cement, písek a voda. Měl totiž trochu jiné složení, než v současnosti používaný klasický beton. Římané ovšem pod pojmem beton rozuměli něco trochu jiného. Šlo o směs vápence čili páleného vápna s vodou, ke které se ještě dodával sopečný popel.
Nejčastěji šlo popel ze sopečné erupce staré cca 450.000 let v lokalitě asi 20 km na jih od Říma. Podle vědců je to právě tento popel, který římskému betonu propůjčil vysokou trvanlivost. Šlo o to, že zde ve směsi reagoval popel s vápnem. Výsledkem bylo, že se zde vytvořila specifická struktura. Navíc se ukázalo, že dalším tajemstvím je mořská voda, kterou do betonu používali. Podle všeho totiž tato voda reaguje s vulkanickou horninou a zpevňuje beton. Díky tomu tato římská hmota dokázala odolat třeba i mořským vlnám a hodila se i ke stavbě přístavních hrází a mol. Pro mola a hráze zase užívali především sopečný popel z Neapolského zálivu. Díky tomu tento beton statečně odolával iontům solí, které by strukturu dnešního betonu spolehlivě zničily.
Čtěte také: Složení betonu
Antické akvadukty stojí dodnes. Další tajemství se totiž ukrývalo ve slově voda. Nešlo o běžnou vodu, ale o vodu mořskou. Tato voda reaguje s vulkanickou horninou a vytvoří se tak další minerály, které materiál ještě více zpevňují. Beton pak dokázal odolávat i mořským vlnám. Ve skutečnosti je to však ještě složitější. Některý římský beton totiž stále tvrdne. Tajemstvím je další příměs, totiž drť z vulkanických hornin.
Technologie výroby a samoopravné schopnosti
Odborníci doposud předpokládali, že když se do římského betonu přidávalo vápno v roli pojiva, bylo nejprve smícháno s vodou, čímž by vzniklo hašené vápno. Masic s kolegy jsou přesvědčeni, že Římané používali pálené vápno. To je velmi reaktivní a při jeho smíchání se zbytkem betonové směsi by probíhala velmi exotermická reakce, která by zahřála směs na vysokou teplotu.
Právě tohle míchání za horka, „hot mixing“, jak říká Masic, by mělo být tím dlouho hledaným klíčem k tajemství římského betonu. Podle Masice přináší antické míchání za horka dvě zásadní výhody. V betonu vznikají látky a struktury, které by za nižších teplot nevznikly. A zároveň se v betonu velmi urychlí nezbytné reakce, takže lze stavět mnohem rychleji.
Tým pod vedením profesora Admir Masic z MIT analyzoval vzorky starověkého betonu pomocí mikroskopie a chemické analýzy. Podle ScienceAlert spočívá síla římského betonu v nezamýšlené, ale geniální vlastnosti: samoopravné schopnosti díky přítomnosti vápenných „klastrů“. Zjistili, že v betonu jsou vysokoteplotně vypalované vápenné složky (tzv. Když do betonu pronikne voda, začne reagovat s těmito vápennými klasty a vytváří krystaly, které prasklinu vyplní. Římský beton se skládal z vulkanického popela, vápna, vody a dalších příměsí - ale právě kombinace různých forem vápna byla zřejmě tím, co vytvořilo jedinečný „živý materiál“.
Zatímco dnešní stavebnictví klade důraz na přesnost a homogenitu, římská receptura zahrnovala „chyby“, které se nakonec ukázaly jako geniální.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Minerály a zpevňování v čase
Američtí vědci na stránkách magazínu American Mineralogist zveřejnili, že mořská voda reaguje v cementu s vulkanickou horninou a vytváří nové minerály, které beton dále zpevňují. Geoložka Marie Jacksonová z univerzity v Utahu uvedla v magazínu American Mineralogist: „Svou metodu rozvíjeli velmi dlouho, ale byli to mimořádně inteligentní lidé a nakonec uspěli.“ Najdeme dokonce i historické písemné důkazy. Plinius Starší ve své nejslavnější přírodovědné encyklopedii (37 svazkové Naturalis Historia) uvádí: „vzdoruje i mořským vlnám a den ze dne sílí“.
Tým vědců již dříve analyzoval vzorky betonu z přístavních hrází a nalezl v nich velmi ojedinělý druh minerálu, takzvaný toberomorit hlinitý. A ten lze připravit opravdu jen obtížně. Soudilo se, že musel začít vznikat hned v první fázi smíchání cementu a jeho tvorbu usnadnilo teplo z chemické reakce. Zjistilo se však, že toberomorit se dál rozrůstal strukturou betonu a vytvářel v něm zpevňující mřížku. Ukázalo se, že mořská voda postupně rozpustila vulkanické krystaly i vyvřelé sklo a nahradila je zmíněnými minerály.
Proto se „přístavní“ beton v čase zpevňoval a vznikající praskliny se samovolně zaplňovaly. Šlo o promyšlený záměr založený na dlouhodobém zkoumání a nebo pouhou náhodu? Oproti tomu moderní beton, který chemicky vychází pouze z portlandského cementu, po zatvrdnutí již žádné změny neprodělává. Jakékoli povětrnostní vlivy pak jeho strukturu již jen rozrušují.
Zjistilo se tedy, že korozivní procesy mohou vytvořit obohacený mineralizovaný cement a zpevnit tento materiál pro budoucí staletí, ale i tisíciletí. Tento objev je obzvláště významný pro přístavní stavby, ovšem mění pohled na beton jako takový ve všech směrech. Vědci proto též doporučili mnohem větší využití vulkanických materiálů ve stavebnictví.
Ve Wikipedii se o problematice doslovně uvádí: Příčinou tvrdosti římského betonu je velmi vzácný minerál toberomorit hlinitý, který lze připravit jen se značnými obtížemi. Tento minerál vznikal při míchání sopečného popela a jeho působení se posilovalo teplem vznikajícím při schnutí betonu. Toberomorit se pak prorostl strukturou betonu a vytvořil v něm zpevňující mřížku. Mořská voda pak rozpustila vulkanické krystaly i vyvřelé sklo a nahradila jej minerálem s názvem phillipsit a zmíněným toberomoritem, což je v podstatě dokonalé brnění proti mořské vodě.
Čtěte také: Půjčovna pil na beton – vyplatí se?
Moderní aplikace a ekologický aspekt
Toto zjištění z roku 2017 může změnit náhled na fungování betonu a jeho užití ve specializovaných stavbách. Sopečný popel je totiž poměrně hojným materiálem a jeho spotřeba je ve srovnání s moderním cementem jen desetinová, přičemž při přípravě navíc není nutno vyvinout teplotu 1450 stupňů, ale jen 900, což přináší významné úspory topiv a paliv. Nezapomeňme také, že regenerující se beton, to je sen každého stavbaře.
Například český vědec Škvára úspěšně experimentuje s betonem bez cementu. V Severní Americe přitom probíhají experimenty s užíváním něčeho, čemu se říká energeticky modefikovaný cement. Jde vlastně o lehce vylepšený římský beton, který využívá kalifornský sopečný materiál a portlandský cement. Materiál dosahuje pevnosti stejné jako tradiční beton, ale při delší trvanlivosti a lepších enviromentálních podmínkách. Lidstvo se tak po dvou tisíciletích vrací ke svým kořenům.
Vývoj cementu a betonu je zodpovědný za 8 % globálních emisí CO₂.