Romas betona noslēpumi

Romas centrā stāv viens no mūžīgās pilsētas slavenākajiem un labāk saglabātajiem senajiem pieminekļiem: Panteons. Ēka tika uzcelta imperatora Hadriāna valdīšanas laikā otrajā gadsimtā p.m.ē., un tā ir bijusi nepārtrauktā lietošanā divus tūkstošus gadu, sākotnēji kā templis, kas veltīts Olimpiskajiem dieviem, un vēlāk kā katoļu bazilika. Panteonā atrodas izcili saglabāta romiešu arhitektūra un tādi slaveni cilvēku kapi kā mākslinieka Rafaēla un karalis Viktorio Emanuele II, un tas ir iedvesmojis ēku dizainu visā pasaulē, paliekot par vienu no Romas populārākajiem tūrisma objektiem, ko apmeklē aptuveni 6 miljoni cilvēku katru gadu. Taču iespējams, ka tā visievērojamākā iezīme ir tās 43 metrus augstais kasetētais kupols, ko vainago 9 metrus plata apaļa okulus jeb atvērums, kas ar gaismu pilda zemāk esošo rotundu. Iespaidīgais ir tas, ka šī struktūra nav celta no marmora vai ķieģeļiem, kā varētu gaidīt, bet gan no betona. Vēl iespaidīgāk ir tas, ka tajā nav neviena armatūras stieņa vai cita strukturāla pastiprinājuma, padarot to par lielāko nepastiprināto betona kupolu pasaulē. Patiesībā romieši bija betona būvniecības meistari, izmantojot šo universālo materiālu visdažādāko masīvo struktūru veidošanai – no ostu piestātnēm un akveduktiem līdz slavenajam Kolizejam. Šis fakts var šokēt un apjukumu radīt mūsdienu pasaulē dzīvojošajiem cilvēkiem, kur viena slikta ziema bieži vien pietiek, lai betona ceļus un tiltus pārvērstu kaut ko līdzīgu Mēness virsmai. Kā romiešu betons spēja izturēt tūkstošgades, kamēr mūsdienu betons sabrūk pēc dažiem gadiem?

Romas betona izmantošana

Romas betons kļuva plaši izmantots ap 150. gadu p.m.ē., lai gan lielākā daļa arheologu uzskata, ka tas tika izstrādāts gandrīz gadsimtu agrāk. Tāpat kā mūsdienu betonam, Romas betonam ir divas pamatkomponentes: cementa pulveris, kas sacietē, kad tiek sajaukts ar ūdeni; un agregāts, jeb grants un citu mazu, cieta materiāla maisījums, kas pievieno stiprumu maisījumam. Mūsdienu cementu, ko pazīst kā parasto Portlanda cementu jeb OPC, ražo, apsildot kaļķakmeni – kā arī dažādas citas sastāvdaļas, tostarp mālu, dzelzsrūdu, smiltis, ģipšu un ogļu pelnus – krāsnī, lai iegūtu gabalainu materiālu, ko sauc par klinkeri. Klinkeri pēc tam sasmalcina, lai iegūtu cementa pulveri. Romas betona sastāvs bija līdzīgs, galvenokārt sastāvot no kalcija oksīda jeb ātrsakņojamajiem kaļķiem, ko iegūst, apsildot kaļķakmeni krāsnī. Tas tika sajaukts ar pulvi jeb pozzolana – smalku, stiklveida vulkānisko pelnu, ko galvenokārt atrada Neapoles līča apkaimē. Pozzolana tika uzskatīta par Romas betona “noslēpuma mērci” – tik ļoti, ka simtiem tūkstošu tonnu tika nosūtīti visā Romas impērijā līdz pat Aleksandrijai Ēģiptē būvniecības projektos. Tomēr starp Romas un mūsdienu betonu bija dažas būtiskas atšķirības. Piemēram, kamēr mūsdienu betons izmanto galvenokārt smilšu un zirņu lieluma grants agregātu, Romas agregāts jeb caementa sastāvēja no lielākiem, dūres lieluma vulkāniskiem akmeņiem, ko sauc par tefru un ķieģeļu gabaliem un citiem pārstrādātiem būvmateriāliem.

Romas betona ilgtspēja

Tāpat kā mūsdienu betons, Romas betons sacietēja nevis žūstot, bet gan hidratējoties un kristalizējoties no kalcija-alumīnija-silikātu savienojumiem – ko pazīst arī kā strätlingite – kas veidojās no ātrsakņojamo kaļķu un pozzolanas reakcijas un varēja sacietēt pat skābekļa trūkuma apstākļos – pat zem ūdens. Tas ļāva romiešiem būvēt betona ostas piestātnes, viļņlaužus un citas zemūdens konstrukcijas bez nepieciešamības būvēt sausos kofradamus. Agrākais piemērs šī hidrauliskā cementa izmantošanai ir ostas būvniecībā Baeie pie Neapoles vēlajos 2. gadsimtos p.m.ē., savukārt lielapjoma pielietojums bija Caesarea Maritima ostas būvniecībā mūsdienu Izraēlā, kuras betona piestatnes joprojām ir saglabājušas savu integritati līdz šai dienai, neskatoties uz to, ka tika pakļautas Vidusjūrai divus tūkstošus gadus. Šis izcilais ilgmūžīgums desmitiem gadu pavadzis arhitektus un materiālu zinātniekus bez atbildes, jo lai gan virszemes struktūru ilgtermiņa izdzīvošana ir pietiekami iespaidīga pati par sevi, iegremdēšana jūras ūdenī parasti ir letāla betonam, izraisot tā sabrukumu dažu desmitgažu laikā. Tomēr ne tikai Caesarea Maritima piestatnes ir izdzīvojušas, bet ar laiku pat kļuvušas stiprakas. Vēl apbrinojamak ir tas, ka salīdzinot ar mūsdienu OPC balstīto betonu Romas betons ir desmit reizes vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadzīgais spiediena stiprumam vajadziable to modern OPC-based concrete.

Romas betona noslēpums

Kas tad notiek? Lai atklatu Romas betona izcilas izturības noslēpumu, 2013. gadā UC Berkeley civilinženierijas profesors Paulo Monteiro vadīja pētnieku komandu, kas analizēja betona paraugus no Caesarea Maritima piestatnēm. Viņiem bija pārsteigums atklast reta kalcija silikata hidrata minerla tobermorita kristalus. Šos kristalus viņi secinaja bija veidojušies no minerla filipsita reakcijas pozzolanas pelnos ar jūras ūdeni kas bija iekļuvies betonaa. Ne tikai tobermorits ir cietaaks nekaa jebkursh no betona saakotneejiem komponentiem,bet taas veidoshaana arii aiztur molekulas piemeeram hloridus un sulfatus kas parasti boja betonu – tas noziimee ka patiesiba jura uudens iegremdeeshana padara romieshu betonu laika gaitaa stipraaku un izturiigaaku. Kaa arii potenciaali uzlabojot muusdienu betona sniegumu shis atklajums var buut plaashaa izmantojums industrijaa jo alumina tobermorits parasti prasa augstas temperatuuras un lielu enerijas patereeshanu sinteezei.

Viens no galvenajiem Romas betona noturibas noslepumiem slēpjas viena no tas visvairak apbrinojamakajam iezimeem: trauslu balto iekljaujumu klats sauc par kaļķakmens klats visaa ta struktura. Desmitgades ilgi arheologi šos iekljaujumus uzskatija par zemas kvalitates izejmaterieliem vai neuzmanigu maisisanas praksi. Tomaer dazhi eksperti piemeeram Admir Masic MIT civilinzenierijas profesors bija skeptiski pret sho skaidrojumu:

“Ideja ka šo kaļķakmens klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klats klays mani vienmer traucēja. Ja romieši tik daudz pūles ieguldija izcilas būvmateriála radíšaná sekojot visiem detalizetiem receptem kas bija optimizetas gadsimtu garuma kapéc tik maz pules tiek iegulditas labi sajaucot gala produktu? Ir jabut vel kam šaja stasta.”

Patiesiba Vitruvijs savos Desmit Arhitekturas Gramatas rakstitos 25.gada p.m.e lielais romieshu arhitekts sniedza loti precizas receptes betonam kamér imperators Augusts kas valdija no 27.gada p.m.e lidz 14.gadam p.m.e uzsaka lielus buvniecibas un restauracijas projektus Roma kas rezultata noveda pie plaša konkreta razosanas sistematizacijas un standartizacijas.

2022.gada komanda vadiba Masic veica spektroskopiskas analizes betona paraugiem no romieshu aristokrates Caecilia Matella mauzoleja kas tika uzcelts starp 30.un 10.gadiem p.m.e Šis analizes atklaja ka kaļķakmens klašti sastaveti no dazadiem kalcija karbonata un oksida tipiem kas ir daudz trauslaki neka apkartejo cementa matrica.Kad vien betons maina savu formu – vai nu zemes nosedsanas vai zemes tresesanu del kas biezhi skar regionu – šis trauslums rada plaisas preferenciali klaštos.Tomér lietus vai gruntudens kas iepludina caur betonu reage ar klaštiem veicinot kalcija karbonata kristalu augšanu kas gala rezultata piepilda un pastiprina plaisas.Sis reakcija efektivi padara betonu pašdziedejošu aizpildot mazas plaisas pirms tas var augt lielakos un bistamakos plaukturos.Lai parbauditu šo teoriju Masic lieja un plijinaja divus paraugus no muusdienu un romieshu betona un tecina caur tiem udeni.Ka prognozeets divu nedelu laika romieshu betona plaisas bija sevi aiztaisušas noversot udeni plust cauri.

Masic analize ari atklaja ka kaļķakmens klašti var rasties tikai augstas temperaturas apstaklos noradijot ka romieshi sajauc savu betonu loti atskirigi neka muusdienu buvetaji.Musu dienas atra sakne tiek sajauc ar udeni radot kalcija hidroksidu vai slaked lime – pirms tiek pievienots betona maisijumam.Romieshi tomér pievienoja atra sakni tieši maisijumam tehnika ko pazist kaa karsta sajaucana.Ne tikai karsta sajaucana rada augstas temperaturas kas nepieciesamas pašdziedejošo kaļķakmens klaštu veidosanai,bet ari samazina kopigo cietesananas laiku atlaujot atraku buvniecibu.

Bet gudra kimija nav visa stasta un gala atslega uz romieshu betona izcilaja ilgmuziba slépjás konkrétá veidá kurá tas tika liegts.Saskaņá ar Vitruvijs atskiriba no muusdienu betona kas tiek sajauc “mitrs” un lejams romieshu betons tika sajauc “sauss” ar iespejami mazaku udens daudzumu ar rezultatu putveida maisijumu kas tika uzlikts vieta.Lielie agregata gabali piemeram vulkaniska tefra un ķiegeļu vai celtniecibas akmens fragmenti tad tika uzlikti virsu uz betona pirms cits slanis no betona tika uzlikts virsu.Viss slanejums tad tika nostiprináts izmantojot speecialus rikus.Aizverot maisijumu cieši un samazinot ta udens saturu romieshu buvetaji minimizéja porainibu veidosanos struktura – galveno vaaju vietu avotu betoná –