Deze chemici hebben de code gekraakt tot duurzaam Romeins beton

MIT-chemicus Admir Masic hoopte echt dat zijn experiment niet zou ontploffen.

Masic en zijn collega’s probeerden een oude Romeinse techniek na te bootsen voor het maken van beton, een mix van cement, grind, zand en water. De onderzoekers vermoedden dat de sleutel een proces was dat “heet mengen” wordt genoemd, waarbij droge korrels calciumoxide, ook wel ongebluste kalk genoemd, worden gemengd met vulkanische as om het cement te maken. Daarna wordt water toegevoegd.

Heet mengen, dachten ze, zou uiteindelijk een cement opleveren dat niet helemaal glad en gemengd was, maar in plaats daarvan kleine calciumrijke rotsen bevatte. Die kleine rotsen, alomtegenwoordig in de muren van de betonnen gebouwen van de Romeinen, zouden de sleutel kunnen zijn waarom die structuren de tand des tijds hebben doorstaan.

Zo wordt modern cement niet gemaakt. De reactie van ongebluste kalk met water is zeer exotherm, wat betekent dat het veel warmte kan produceren – en mogelijk een explosie.

“Iedereen zou zeggen: ‘Je bent gek'”, zegt Masic.

Maar er gebeurde geen grote knal. In plaats daarvan produceerde de reactie alleen warmte, een vochtige zucht van waterdamp – en een Romeins cementmengsel met kleine witte calciumrijke rotsen.

Onderzoekers proberen al tientallen jaren het Romeinse recept voor een concrete levensduur opnieuw te creëren, maar met weinig succes. Het idee dat heet mixen de sleutel was, was een weloverwogen gok.

Masic en collega’s hadden zich verdiept in teksten van de Romeinse architect Vitruvius en historicus Plinius, die enkele aanwijzingen gaven over hoe verder te gaan. Deze teksten noemden bijvoorbeeld strikte specificaties voor de grondstoffen, zoals dat de kalksteen die de bron is van de ongebluste kalk zeer zuiver moet zijn, en dat het mengen van ongebluste kalk met hete as en daarna toevoegen van water veel warmte kan produceren.

De rotsen werden niet genoemd, maar het team had het gevoel dat ze belangrijk waren.

“In elk monster dat we hebben gezien van oud Romeins beton, kun je deze witte insluitsels vinden”, stukjes rots ingebed in de muren. Jarenlang, zegt Masic, was de oorsprong van die insluitsels onduidelijk – onderzoekers vermoedden misschien een onvolledige vermenging van het cement. Maar dit zijn de zeer georganiseerde Romeinen waar we het over hebben. Hoe waarschijnlijk is het dat “elke operator [was] niet goed mengen en elk afzonderlijk [building] heeft een fout?”

Wat als, zo suggereerde het team, deze insluitsels in het cement eigenlijk een kenmerk waren, geen bug? De chemische analyses van de onderzoekers van dergelijke rotsen ingebed in de muren van de archeologische vindplaats Privernum in Italië gaven aan dat de insluitsels zeer calciumrijk waren.

Dat suggereerde de verleidelijke mogelijkheid dat deze rotsen de gebouwen zouden kunnen helpen zichzelf te genezen van scheuren als gevolg van verwering of zelfs een aardbeving. Er was al een kant-en-klare voorraad calcium voorhanden: het zou oplossen, in de scheuren sijpelen en opnieuw kristalliseren. Voila! Litteken genezen.

Maar kon het team dit in actie waarnemen? Stap één was om de rotsen opnieuw te maken door heet te mengen en te hopen dat er niets explodeerde. Stap twee: Test het op Romeins geïnspireerde cement. Het team creëerde beton met en zonder het hete mengproces en testte ze naast elkaar. Elk blok beton werd in tweeën gebroken, de stukken werden op kleine afstand van elkaar geplaatst. Vervolgens druppelde er water door de spleet om te zien hoe lang het duurde voordat de kwel stopte.

“De resultaten waren verbluffend”, zegt Masic. De blokken met warm gemengd cement genazen binnen twee tot drie weken. Het beton geproduceerd zonder warm gemengd cement helemaal nooit genezenmeldt het team op 6 januari in Wetenschappelijke vooruitgang.

Het kraken van het recept kan een zegen zijn voor de planeet. Het Pantheon en zijn torenhoge, gedetailleerde betonnen koepel hebben bijvoorbeeld bijna 2000 jaar gestaan, terwijl moderne betonnen constructies een levensduur hebben van misschien wel 150 jaar, en dat is in het gunstigste geval (SN: 2/10/12). En de Romeinen hadden geen stalen wapeningsstaven om hun constructies te ondersteunen.

Frequentere vervanging van betonconstructies betekent meer uitstoot van broeikasgassen. Betonproductie is een enorme bron van kooldioxide in de atmosfeer, dus duurzamere versies kunnen die ecologische voetafdruk verkleinen. “Van dit materiaal maken we 4 gigaton per jaar”, zegt Masic. Die productie produceert maar liefst 1 ton CO₂ per ton geproduceerd beton, momenteel ongeveer 8 procent van de jaarlijkse wereldwijde CO2₂ uitstoot.

Toch, zegt Masic, is de betonindustrie resistent tegen verandering. Enerzijds zijn er zorgen over het introduceren van nieuwe chemie in een beproefd mengsel met bekende mechanische eigenschappen. Maar “het belangrijkste knelpunt in de branche zijn de kosten”, zegt hij. Beton is goedkoop en bedrijven willen zichzelf niet uit de concurrentie prijzen.

De onderzoekers hopen dat de herintroductie van deze techniek, die de tand des tijds heeft doorstaan ​​en die weinig extra fabricagekosten met zich meebrengt, beide zorgen kan wegnemen. Sterker nog, ze rekenen erop: Masic en een aantal van zijn collega’s hebben een startup opgericht die ze DMAT noemen en die momenteel op zoek is naar startkapitaal om commercieel het door Rome geïnspireerde heetgemengde beton te gaan produceren. “Het is heel aantrekkelijk, simpelweg omdat het een duizenden jaren oud materiaal is.”