Rond het jaar 79, De Romeinse schrijver Plinius de Oudere schreef in zijn Naturalis Historia dat betonnen constructies in havens, blootgesteld aan de constante aanval van de zoutwatergolven, worden "een enkele stenen massa, onneembaar voor de golven en elke dag sterker."

Hij overdreef niet. Terwijl moderne mariene betonconstructies binnen tientallen jaren afbrokkelen, 2, 000 jaar oude Romeinse pieren en golfbrekers blijven tot op de dag van vandaag bestaan, en zijn nu sterker dan toen ze voor het eerst werden gebouwd. De geoloog Marie Jackson van de Universiteit van Utah bestudeert de mineralen en microschaalstructuren van Romeins beton zoals ze een vulkanisch gesteente zou doen. Zij en haar collega's hebben ontdekt dat zeewater dat door het beton filtert, leidt tot de groei van in elkaar grijpende mineralen die het beton extra cohesie geven. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in Amerikaanse mineraloog.

Romeins beton versus Portlandcement

Romeinen maakten beton door vulkanische as te mengen met kalk en zeewater om een ​​mortel te maken, en dan in die mortel brokken vulkanisch gesteente opnemen, het "aggregaat" in het beton. De combinatie van as, water, en ongebluste kalk produceert wat een puzzolane reactie wordt genoemd, vernoemd naar de stad Pozzuoli in de baai van Napels. De Romeinen zijn misschien op het idee gekomen voor dit mengsel van natuurlijk gecementeerde vulkanische asafzettingen, tufsteen genaamd, die veel voorkomen in het gebied, zoals Plinius beschreef.

Het conglomeraatachtige beton werd in veel architecturale constructies gebruikt, waaronder het Pantheon en de markten van Trajanus in Rome. Massieve maritieme constructies beschermden havens tegen de open zee en dienden als uitgebreide ankerplaatsen voor schepen en pakhuizen.

Modern Portland-cementbeton gebruikt ook rotsaggregaat, maar met een belangrijk verschil:de zand- en grinddeeltjes zijn bedoeld om inert te zijn. Elke reactie met de cementpasta kan gels vormen die uitzetten en het beton barsten.

"Deze alkali-silica-reactie komt over de hele wereld voor en het is een van de belangrijkste oorzaken van vernietiging van Portland-cementbetonconstructies, ' zegt Jackson.

Romeins beton herontdekken

Jacksons interesse in Romeins beton begon met een sabbatjaar in Rome. Ze bestudeerde eerst tufsteen en onderzocht daarna vulkanische asafzettingen, raakten al snel gefascineerd door hun rol bij het produceren van de opmerkelijke duurzaamheid van Romeins beton.

Samen met collega's, Jackson begon de factoren te bestuderen die architectonisch beton in Rome zo veerkrachtig maakten. een factor, ze zegt, is dat de minerale vergroeiingen tussen het aggregaat en de mortel voorkomen dat scheuren langer worden, terwijl de oppervlakken van niet-reactieve aggregaten in Portlandcement scheuren alleen maar verder helpen verspreiden.

In een andere studie van boorkernen van Romeins havenbeton verzameld door het ROMACONS-project in 2002-2009, Jackson en collega's vonden een uitzonderlijk zeldzaam mineraal, aluminiumhoudende tobermoriet (Al-tobermoriet) in de mariene mortel. De mineraalkristallen vormden zich in kalkdeeltjes door een puzzolaanreactie bij enigszins verhoogde temperaturen. De aanwezigheid van Al-tobermoriet verraste Jackson. "Het is heel moeilijk om te maken, " zegt ze over het mineraal. De synthese ervan in het laboratorium vereist hoge temperaturen en resulteert in slechts kleine hoeveelheden.

Zeewater corrosie

Voor de nieuwe studie Jackson en andere onderzoekers keerden terug naar de ROMACONS-boorkernen, onderzoeken ze met verschillende methoden, inclusief microdiffractie- en microfluorescentieanalyses bij de Advanced Light Source-bundellijn 12.3.2 bij het Lawrence Berkeley National Laboratory. Ze ontdekten dat Al-tobermoriet en een verwant zeolietmineraal, phillips, gevormd in puimsteendeeltjes en poriën in de cementeermatrix. Van eerder werk, het team wist dat het puzzolane uithardingsproces van Romeins beton van korte duur was. Iets anders moet ervoor hebben gezorgd dat de mineralen lang nadat het beton was uitgehard, bij lage temperatuur zijn gaan groeien. "Niemand heeft tobermoriet geproduceerd bij 20 graden Celsius, "zegt ze. "O - behalve de Romeinen!"

"Als geologen, we weten dat rotsen veranderen, Jackson zegt. "Verandering is een constante voor aardse materialen. Dus hoe beïnvloedt verandering de duurzaamheid van Romeinse bouwwerken?"

Het team concludeerde dat wanneer zeewater door het beton sijpelde in golfbrekers en in pieren, het loste componenten van de vulkanische as op en liet nieuwe mineralen groeien uit de sterk alkalische uitgeloogde vloeistoffen, in het bijzonder Al-tobermoriet en phillipsiet. Deze Al-tobermoriet heeft silica-rijke samenstellingen, vergelijkbaar met kristallen die zich vormen in vulkanisch gesteente. De kristallen hebben platachtige vormen die de cementeermatrix versterken. De in elkaar grijpende platen verhogen de weerstand van het beton tegen brosse breuk.

Jackson zegt dat dit corrosie-achtige proces normaal gesproken een slechte zaak zou zijn voor moderne materialen. "We kijken naar een systeem dat in strijd is met alles wat je niet zou willen in op cement gebaseerd beton, " zegt ze. "We kijken naar een systeem dat gedijt in open chemische uitwisseling met zeewater."

Modern Romeins beton

Gezien de duurzaamheidsvoordelen van Romeins beton, waarom wordt het niet vaker gebruikt, vooral omdat de productie van Portland-cement een aanzienlijke uitstoot van kooldioxide veroorzaakt?

"Het recept was volledig verloren gegaan, ", zegt Jackson. Ze heeft uitgebreid oude Romeinse teksten bestudeerd, maar de precieze methoden voor het mengen van de mariene mortel nog niet heeft ontdekt, om het beton volledig te recreëren.

"De Romeinen hadden geluk met het soort gesteente waarmee ze moesten werken, " zegt ze. "Ze merkten op dat uit vulkanische as cement groeide om de tufsteen te produceren. We hebben die stenen niet in een groot deel van de wereld, dus er zou moeten worden vervangingen gemaakt."

Ze werkt nu samen met geologisch ingenieur Tom Adams om een ​​vervangend recept te ontwikkelen, echter, met behulp van materialen uit het westen van de V.S. Het zeewater in haar experimenten komt uit de Berkeley, Californië, jachthaven, door Jackson zelf verzameld.

Romeins beton heeft tijd nodig om kracht te ontwikkelen uit zeewater, en heeft minder druksterkte dan typisch Portlandcement. Om die redenen, het is onwaarschijnlijk dat Romeins beton wijdverbreid zou kunnen worden, maar kan nuttig zijn in bepaalde contexten.

Jackson woog onlangs over een voorgestelde getijdenlagune die in Swansea moet worden gebouwd, Verenigd Koninkrijk, getijdenkracht te benutten. de lagune, ze zegt, 120 jaar zou moeten werken om de bouwkosten terug te verdienen. "Je kunt je voorstellen dat met de manier waarop we nu bouwen, het zou tegen die tijd een massa roestend staal zijn." Een Romeins prototype van beton, anderzijds, eeuwen intact kunnen blijven.

Jackson zegt dat hoewel onderzoekers veel vragen hebben beantwoord over de mortel van het beton, de chemische reacties op lange termijn in de aggregaatmaterialen blijven onontgonnen. Ze is van plan het werk voort te zetten van Plinius en andere Romeinse geleerden die ijverig hebben gewerkt om de geheimen van hun beton te ontdekken. "De Romeinen waren hier bezorgd over, " zegt Jackson. "Als we in zee gaan bouwen, daar moeten we ons ook zorgen over maken."