Jak je možné, že římský beton drží již 2000 let?

Jsou to již téměř dvě tisíciletí od vrcholu Římské říše, a některé z jejích staveb stále stojí. Zdá se jako zázrak, že ve zkoušce času obstály takové stavby jako Pantheon v Římě v Itálii, římský akvadukt v Segovii ve Španělsku nebo římské lázně v Anglii. Slavný římský Pantheon, který má největší nevyztuženou betonovou kopuli na světě, je stále neporušený. Dnešní kruhová podoba Pantheonu pochází z Hadriánovy doby,  který dal po požáru v roce 123 přestavět původní basiliku. Dlouhověkost těchto staveb lze z velké části připsat římskému betonu. Ale co dělá římský beton tak výjimečným? Co je na tomto materiálu zvláštního, že to umožnilo stavbám stát tisíce let?

Starověcí Římané byli mistry inženýrství a budovali rozsáhlé sítě silnic, akvaduktů, přístavů a mohutných budov, z nichž mnohé byly postaveny z betonu. Mezitím se mnoho moderních betonových konstrukcí po několika desetiletích rozpadlo.

Vědci strávili desetiletí snahou odhalit tajemství tohoto ultraodolného starověkého stavebního materiálu, zejména u konstrukcí, které vydržely obzvláště drsné podmínky, jako jsou doky, kanalizace a mořské zdi, nebo u konstrukcí postavených v seizmicky aktivních lokalitách. Stále si lámou hlavu nad tím, jak přesně se římský beton vyráběl, ale mají několik vodítek. Jednou věcí jsou složky betonu a další fakt, že se dokáže samoobnovit při dešti.

Nyní tým výzkumníků z MIT (Massachussets Institute of Technology), Harvardovy univerzity a laboratoří v Itálii a Švýcarsku objevil starověké strategie výroby betonu, které zahrnovaly několik klíčových samoopravných funkcí. Zjištění publikovali v článku profesora stavebního a environmentálního inženýrství na MIT Admira Masice, bývalé doktorandky Lindy Seymourové a čtyř dalších v časopise Science Advances.

Jak se beton vyrábí

Nejprve je důležité pochopit, jak se beton obecně vyrábí. Moderní beton začíná cementem, což je jemný prášek, který se po smíchání s vodou mění na pastu. Klíčovou složkou cementu je sedimentární hornina vápenec, která se z velké části skládá z uhličitanu vápenatého, sloučeniny, která se nachází i v organické přírodě, například ve skořápkách vajec a mořských mušlí. Vápenec se smíchá s dalšími materiály, jako je jíl, a poté se zahřívá v peci na 1 482 °C, čímž vzniká materiál zvaný slínek. Mletím slínku a některých přísad na jemný prášek se vyrábí cement.

Dnes nejběžněji používaný cement se nazývá portlandský cement. V závislosti na prostředí mají konstrukce z portlandského cementu životnost 75 až 100 let. Beton se od svého používání v římských dobách zjevně změnil, ale pravdou je, že se mění průběžně už od okamžiku jeho vynálezu.

Historie objevu betonu

Používání materiálů podobných betonu sahá až do roku 6 500 př. n. l. Syřané v době kamenné náhodně vyvinuli anorganickou stavební směs na bázi vápna (hydroxidu vápenatého). Stalo se tak pravděpodobně v ohništích, když ta vedle své bezprostřední funkce také vypalovala okolní horniny v primitivní verzi moderního procesu kalcinace. Mezitím Mayové ve střední Americe kolem roku 1 100 př. n. l. vyvinuli předchůdce betonu pomocí páleného vápna – oxidu vápenatého CaO, který vzniká zahřátím vápence – uhličitanu vápenatého CaCO₃, na vysoké teploty, uvolňováním oxidu uhličitého CO₂.

Římský beton však byl jedinečnou směsí. „Beton postavil říši,“ řekl Kevin Dicus, docent klasických studií na Oregonské univerzitě. Podle něho Římané používali svůj beton již ve třetím století př. n. l.

Římský beton

Tajemství římského betonu pramení jak z jeho složek, tak z metod jejich míchání. Jedním z „převratných faktorů“ podle Dicuse byl pucolán neboli popel. Římané používali popel ze sopečných vrstev italského města Pozzuoli. Tento specifický druh popela byl dokonce přepravován po celé rozlehlé Římské říši, aby se používal ve stavebnictví, a v tehdejších zprávách architektů a historiků byl popisován jako klíčová složka betonu.

Dnes pucolán zahrnuje pemzu a popílek, což je vedlejší produkt spalování uhlí. Oxid křemičitý a oxid hlinitý v popelu reagují s vápnem a vodou na křemičitany vápenatý a hlinitý v pucolánové reakci při okolní teplotě, což vede k pevnějšímu a trvanlivějšímu betonu. Pucolán se také používá k výrobě hydraulického cementu, který může tvrdnout i pod vodou.

Při bližším zkoumání obsahují starověké vzorky také charakteristické, milimetrové, jasně bílé minerální útvary, které jsou již dlouho uznávány jako všudypřítomná složka římských betonů. Tyto bílé kusy, často označované jako „vápenné klastry“, pocházejí z vápna, další klíčové složky starověké betonové směsi. „Od té doby, co jsem začal pracovat se starověkým římským betonem, mě tyto útvary vždy fascinovaly. „V moderních betonových recepturách se nenacházejí, tak proč jsou přítomny v těchto starověkých materiálech?“ ptá se Masic.

Chyba? Ne, záměr!

Nová studie naznačuje, že tyto drobné vápenné klastry, dříve ignorované jako pouhý projev nedbalého míchání nebo nekvalitních surovin, dodaly betonu dříve nerozpoznanou schopnost samoopravy. „Myšlenka, že přítomnost těchto vápenných klastrů byla jednoduše přičítána nízké kontrole kvality, mě vždycky znepokojovala,“ říká Masic. „Pokud Římané vynaložili tolik úsilí na výrobu vynikajícího stavebního materiálu a dodržovali všechny podrobné receptury, které byly v průběhu mnoha staletí optimalizovány, proč by vynaložili tak málo úsilí na zajištění dobrého promíchání konečného produktu? V tomto příběhu musí být něco víc.“

Po další charakterizaci těchto vápenných klastů s využitím technik vícerozměrného zobrazování s vysokým rozlišením a chemického mapování, které byly poprvé zavedeny v Masicově výzkumné laboratoři, získali vědci nové poznatky o jejich potenciální funkčnosti.

Vždycky se předpokládalo, že když se vápno zapracovávalo do římského betonu, smíchalo se nejprve s vodou za vzniku vysoce reaktivního pastovitého materiálu, a to procesem známým jako „hašení vápna“. Tento proces však sám o sobě nemohl vysvětlit přítomnost vápenných klastrů. Masic se zamýšlel: „Je možné, že Římané mohli vápno přímo použít v jeho reaktivnější formě, páleném vápnu?“

Při studiu vzorků tohoto starověkého betonu zjistili, že bílé inkluze byly skutečně tvořeny různými formami uhličitanu vápenatého. Spektroskopické vyšetření poskytlo vodítka, že se tvořily při extrémních teplotách, jak by se dalo očekávat od exotermické reakce způsobené použitím páleného vápna místo hašeného vápna ve směsi nebo navíc k němu. Tým nyní dospěl k závěru, že horké míchání bylo ve skutečnosti klíčem k superodolné povaze výsledného materiálu. Masic konstatuje: „Výhody horkého míchání jsou dvojí. Zaprvé, když se beton při vzniku zahřeje na vysoké teploty, vznikají sloučeniny, které by se jinak netvořily, protože dochází k chemickým procesům, které by nebyly možné, kdyby se používalo pouze hašené vápno. Zadruhé, tato zvýšená teplota výrazně zkracuje dobu tuhnutí, čili urychluje výstavbu.“

Beton časem zvětrává a slábne a voda může proniknout do jeho trhlin. Když voda dosáhne až k přítomným klastrům, reagují spolu a vytvářejí krystaly zvané kalcity, které trhliny vyplňují. Tímto způsobem se římský beton dokáže sám opravit. Například 2 000 let stará hrobka Caecilie Metella poblíž Říma má praskliny vyplněné kalcity, což naznačuje, že v určitém okamžiku od výstavby aktivovala voda klastry v jejím betonu.

Jak je to dnes

Současný proces míchání portlandského cementu neumožňuje tvorbu vápenných klastrů. Cement vyrobený ze směsi páleného vápna a vody zvané hašené vápno, je dnes normou. A slínek vyrobený v peci se ještě rozemele na jemný prášek, čímž se zničí všechny potenciální klastry. Naproti tomu, když Římané pravděpodobně za horka míchali pálené vápno, popel a vodu, klastry zůstaly jako malé inkluze v cementu. „Byla to jen šťastná náhoda, nebo skutečně věděli, co dělají?“ přemýšlel Dicus.

Ať už Římané chápali úplnou genialitu svého cementového receptu nebo ne, zůstává jejich cement speciální a dodnes udivuje svou dlouhověkostí. I dnes není nic lepšího než dotknout se římské zdi. „Je to 2 000 let staré a je to stejně tvrdé jako v den, kdy utuhlo,“ řekl Dicus.

Zdroj: Riddle solved: Why was Roman concrete so durable? | MIT News | Massachusetts Institute of Technology