Kemija otkriva tajne rimskog cementa

Koliko može stajati betonska građevina, a da se ne sruši? Najmanje dva tisućljeća, kažu nam ostatci rimskih arena i akvedukata. Ipak, pažljiva kemijska analiza pokazuje da i njih nagriza vrijeme.

Nenad Raos subota, 15. siječnja 2022. u 06:00

Kinezi su sagradili Kineski zid (i most do Pelješca), Egipćani Keopsovu piramidu, pa opet u starom vijeku nije bilo boljih graditelja od Rimljana – još se i danas vozimo po njihovim cestama. Kada bi Rimljani opsjedali grad, umjesto da čekaju dok branitelji u njemu ne izginu od ljutih rana, boleština i gladi, radije su se prihvatili lopate i motike, pa oko gradskog bedema izgradili isti takav – no malo viši. Onda su sa svoga zida napadali branitelje koji su se sad nalazili ispod bedema umjesto na njemu.

Rimske građevine i dan danas stoje. Pogledajmo arenu u Puli ili još bolje očuvanu arenu u Veroni. Još uvijek na svom mjestu u Rimu stoji Panteon, hram posvećen svim glavnim bogovima, s kupolom raspona 43 metra i mase 4500 tona. Kako je to moguće?

Dok su Egipćani gradili piramide bez ikakva veziva, tako da su slagali kamen na kamen, Rimljani su se koristili vezivom s kojem se ništa nije moglo mjeriti sve tamo do 18. ili 19. stoljeća. Umjesto da vapno miješaju s kremenim ili vapnenim pijeskom, kakav se obično nalazi uz rijeke, oni su iskoristili vulkansko tlo svoje domovine i miješali vapno s vulkanskim pepelom, tufom. Razlika u izradi ta dva veziva nije velika, ali iza njih stoji sasvim druga kemija.

Gašeno vapno, kalcijev hidroksid, Ca(OH)2, pomiješano s pijeskom veže tako da se kalcijev hidroksid spaja s ugljikovim dioksidom iz zraka pri čemu nastaje kalcijev karbonat koji povezuje čestice pijesaka. No cement, i onaj rimski i ovaj današnji, portland-cement veže ne zbog reakcije sa zrakom, nego zbog reakcije s vodom. Pritom od jednih silikata nastaju drugi, koji se ili kristaliziraju ili geliraju, a rezultat i jednog i drugog procesa je povezivanje čestica pijeska i šljunka u vrlo čvrst materijal koji se zove beton. To vrijedi za današnji portland-cement, koji se dobiva pečenjem smjese gline i vapnenca u obrtnim pećima, no i za cement Rimljana koji se priređivao miješanjem, kao što rekoh, gašenog vapna i vulkanskog pepela.

Rezultat toga je emplekton, rimski beton. Kada se emplektonu doda kamena obloga nastaje opus caementicium i evo gotove građevine, poput grobnice ugledog rimskog patricija Cecilija Metelle (Caecilius Metellus), što se nalazi na trećoj milji staroga puta Via Appia Antica. Riječ je o impozantnoj okrugloj građevini, visokoj 21 i širokoj 29 metara sa zidovima debelim čak sedam metara. Spominjem tu građevinu izgrađenu prije 2050 godina zato što je upravo ona, zapravo njezin beton postao predmet istraživanja kemičara, točnije Marie D. Jackson koja je sa trojicom suradnika prošle godine objavila o tome članak u časopisu Journal of American Ceramic Society.

Ono što Rimljani nisu znali, znaju kemičari. Vezivo koje drži čestice vulkanskog pepela je hidratizirani kalcijev alumosilikat ili, kraće, C-A-S-H (calcium-aluminium-silicate-hydrate). Vulkanski se pepeo sastoji poglavito od tri minerala. Prva dva, klinopiroksen i leucit su silikati, dok je treći magnetit, željezov oksid (Fe3O4). Pokusi su u laboratoriju pokazali da beton priređen na rimski način dobiva konačnu čvrstoću 180 dana nakon lijevanja. No što se nakon toga događa?

Za istraživanje betona stare grobnice znanstvenici su se poslužili mikroskopom, no i rendgenskim i infracrvenim zračenjem. Difrakcija rendgenskog zračenja na kristalima govori o vrsti i rasporedu atoma u njima, dok infracrvena, Ramanova spektroskopija govori o kemijskim vezama među atomima. I što se vidjelo?

Vezivna se faza (C-A-S-H) nalazi u obliku čestica veličine 0,02 do 0,05 mm, a oko nje se nalaze minerali iz vulkanskog pepela, među kojima je najvažniji leucit, KAlSi2O6. Riječ je dakle o alumosilikatu, ali – to je najvažnije – o kalijevom alumosilikatu.

Ono što je znanstvenike najviše zanimalo je sastav vezivne faze (C-A-S-H). Je li se ona vremenom promijenila?

Promjenu sastava najbolje pokazuje omjer kalcija prema omjeru silicija i aluminija, Ca/(Si+Al). On u uzorku iz cementa iz grobnice iznosi 0,3 dok u novom cementu, priređenom na rimski način, taj omjer iznosi oko 0,8. Kamo je i kako nestao kalcij? Odgovor na to daje analiza kalija u fazi C-A-S-H – njegov se udjel povećao. Jednostavno govoreći, leucit je reagirao s vezivom, i pri tome je kalij djelomično zamijenio kalcij. Pri tome je nastala nova faza koju su označili kao C-(K)-A-S-H.

Beton što su ga radili Rimljani je trajan, ali ipak nije vječan. Nije čudno da se promijenio: riječ je o 2050 godina starom betonu, stoljeća su to.

 

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.

Besplatna dostava

Intel

HP 250 G8

Core i5 1135G7,8GB, 512GB SSD, Iris Xe Graphics, 15.6" FHD IPS, Windows 10

5399 kn 5899 kn Kupi


Bežične over-ear BT slušalice

JBL LIVE 500BT

JBL Signature zvuk, handsfree pozivi, 50mm driveri, podrška za Google voice i Amazon Alexa glasovnu asistenciju, Ambient Aware i TalkThru tehnologija, odvojivi kabel s upravljačem i mikrofonom, trajanje baterije 30h, 18–20.000 Hz, 32 ohma.

849 kn 1.149 kn Kupi

BT prijenosni zvučnik s IPX7

MARSHALL EMBERTON BT

True Stereophonic, jedinstveni oblik višesmjernog zvuka Marshalla. 20+ sati prijenosnog vremena reprodukcije. Kombinacija suvremene tehnologije s kultnim Marshallovim dizajnom kako bi pružio snažan zvuk, a zadržao klasičan izgled, 60 Hz - 20 kHz, 20 W.

999 kn 1.299 kn Kupi