Nye undersøgelser af gammel beton kunne lære os at gøre som romerne

Omkring år 79, Den romerske forfatter Plinius den Ældre skrev i sin Naturalis Historia at betonkonstruktioner i havne, udsat for saltvandsbølgernes konstante angreb, blive "en enkelt stenmasse, uindtagelig for bølgerne og hver dag stærkere."

Han overdrev ikke. Mens moderne marine betonkonstruktioner smuldrer inden for årtier, 2, 000 år gamle romerske moler og bølgebrydere består den dag i dag, og er stærkere nu, end da de først blev bygget. University of Utah geolog Marie Jackson studerer mineraler og mikroskala strukturer af romersk beton, som hun ville gøre en vulkansk sten. Hun og hendes kolleger har fundet ud af, at havvandsfiltrering gennem betonen fører til vækst af sammenlåsende mineraler, der giver betonen ekstra sammenhæng. Resultaterne offentliggøres i dag i Amerikansk mineralog.

Romersk beton vs. Portland cement

Romerne lavede beton ved at blande vulkansk aske med kalk og havvand for at lave en mørtel, og derefter inkorporere bidder af vulkansk sten i morteren, "tilslaget" i betonen. Kombinationen af ​​aske, vand, og brændt kalk producerer det, der kaldes en puzzolanreaktion, opkaldt efter byen Pozzuoli i Napoli-bugten. Romerne kan have fået ideen til denne blanding fra naturligt cementerede vulkanske askeaflejringer kaldet tuf, som er almindelige i området, som Plinius beskrev.

Den konglomeratlignende beton blev brugt i mange arkitektoniske strukturer, herunder Pantheon og Trajans markeder i Rom. Massive marine strukturer beskyttede havne mod åbent hav og fungerede som omfattende ankerpladser for skibe og pakhuse.

Moderne Portland cementbeton bruger også stentilslag, men med en vigtig forskel:sand- og gruspartiklerne er beregnet til at være inerte. Enhver reaktion med cementpastaen kan danne geler, der udvider sig og knækker betonen.

"Denne alkali-silica reaktion forekommer over hele verden, og det er en af ​​hovedårsagerne til ødelæggelse af Portland cement betonkonstruktioner, " siger Jackson.

Genopdagelse af romersk beton

Jacksons interesse for romersk beton begyndte med et sabbatår i Rom. Hun studerede først tufs og undersøgte derefter vulkanske askeaflejringer, snart bliver fascineret af deres roller i at producere den bemærkelsesværdige holdbarhed af romersk beton.

Sammen med kolleger, Jackson begyndte at studere de faktorer, der gjorde arkitektonisk beton i Rom så modstandsdygtig. En faktor, hun siger, er, at mineralforvæksterne mellem aggregatet og mørtlen forhindrer revner i at forlænge, mens overfladerne af ikke-reaktive tilslag i Portland cement kun hjælper revner med at forplante sig længere.

I en anden undersøgelse af borekerner af romersk havnebeton indsamlet af ROMACONS-projektet i 2002-2009, Jackson og kolleger fandt et usædvanligt sjældent mineral, aluminiumholdig tobermorit (Al-tobermorit) i havmørtlen. Mineralkrystallerne dannes i kalkpartikler ved puzzolanreaktion ved noget forhøjede temperaturer. Tilstedeværelsen af ​​Al-tobermorite overraskede Jackson. "Det er meget svært at lave, " siger hun om mineralet. Syntetisering af det i laboratoriet kræver høje temperaturer og resulterer kun i små mængder.

Havvandskorrosion

Til den nye undersøgelse, Jackson og andre forskere vendte tilbage til ROMACONS-borekernerne, undersøge dem med en række forskellige metoder, herunder mikrodiffraktion og mikrofluorescensanalyser ved Advanced Light Source beamline 12.3.2 ved Lawrence Berkeley National Laboratory. De fandt ud af, at Al-tobermorit og et beslægtet zeolitmineral, phillipsite, dannet i pimpstenspartikler og porer i cementeringsmatrixen. Fra tidligere arbejde, holdet vidste, at den puzzolaniske hærdning af romersk beton var kortvarig. Noget andet må have fået mineralerne til at vokse ved lav temperatur længe efter, at betonen var hærdet. "Ingen har produceret tobermorit ved 20 grader Celsius, " siger hun. "Åh – undtagen romerne!"

"Som geologer vi ved, at klipper ændrer sig, " siger Jackson. "Forandring er en konstant for jordmaterialer. Så hvordan påvirker forandringer holdbarheden af ​​romerske strukturer?"

Teamet konkluderede, at når hav vandet gennem betonen i bølgebrydere og i moler, det opløste komponenter af vulkansk aske og tillod nye mineraler at vokse fra de stærkt alkaliske udvaskede væsker, især Al-tobermorite og phillipsite. Denne Al-tobermorite har silica-rige sammensætninger, ligner krystaller, der dannes i vulkanske bjergarter. Krystallerne har platformede former, der forstærker den cementerende matrix. De sammenlåsende plader øger betonens modstandsdygtighed over for sprødbrud.

Jackson siger, at denne korrosionslignende proces normalt ville være en dårlig ting for moderne materialer. "Vi ser på et system, der er i modsætning til alt, hvad man ikke ønsker i cementbaseret beton, "siger hun." Vi ser på et system, der trives i åben kemisk udveksling med havvand. "

Moderne romersk beton

I betragtning af holdbarhedsfordelene ved romersk beton, hvorfor bliver det ikke brugt oftere, især fordi fremstilling af Portland cement producerer betydelige kuldioxidemissioner?

"Opskriften var fuldstændig tabt, " siger Jackson. Hun har grundigt studeret antikke romerske tekster, men har endnu ikke afsløret de præcise metoder til at blande havmørtlen, for fuldt ud at genskabe betonen.

"Romerne var heldige med den type klippe, de skulle arbejde med, " siger hun. "De observerede, at vulkansk aske dyrkede cement til at producere tufsten. Vi har ikke de sten i meget af verden, så der skulle foretages udskiftninger. "

Hun arbejder nu sammen med geologisk ingeniør Tom Adams for at udvikle en erstatningsopskrift, imidlertid, ved hjælp af materialer fra det vestlige USA. Havvandet i hendes eksperimenter kommer fra Berkeley, Californien, marina, indsamlet af Jackson selv.

Romersk beton tager tid at udvikle styrke fra havvand, og har mindre trykstyrke end typisk Portland cement. Af de grunde, det er usandsynligt, at romersk beton kan blive udbredt, men kunne være nyttige i særlige sammenhænge.

Jackson vejede for nylig ind på en foreslået tidevandslagune, der skal bygges i Swansea, Det Forenede Kongerige, at udnytte tidevandskraft. Lagunen, hun siger, ville være nødt til at fungere i 120 år for at få dækket omkostningerne ved at bygge det. "Du kan forestille dig, at med den måde, vi bygger på nu, det ville være en masse korroderende stål på det tidspunkt." En romersk betonprototype, på den anden side, kunne forblive intakt i århundreder.

Jackson siger, at mens forskere har besvaret mange spørgsmål om betonens mørtel, de langsigtede kemiske reaktioner i tilslagsmaterialerne forbliver uudforskede. Hun har til hensigt at fortsætte arbejdet med Plinius og andre romerske forskere, der arbejdede ihærdigt med at opdage deres konkrete hemmeligheder. "Romerne var bekymrede over dette, " siger Jackson. "Hvis vi skal bygge i havet, vi burde også være bekymrede over det. "