Sekret Koloseum: rzymski beton może uratować naszą przyszłość

Od ruin rzymskiego Koloseum po akwedukty, które przetrwały ponad 2000 lat, rzymski beton od tysiącleci stanowi zagadkę dla inżynierów i naukowców. Dla porównania, szacowana żywotność wielu współczesnych konstrukcji wynosi zaledwie 50 lat, co w porównaniu z rzymską długowiecznością wydaje się zdumiewająco krótkie, wręcz absurdalne. Co wiedzieli rzymscy inżynierowie, o czym my, z całą naszą technologią, zdajemy się zapomnieć? Dziś, gdy ich sekret został ujawniony, naukowcy zastanawiają się, czy w XXI wieku zastosowanie ich techniki mogłoby pomóc nam ocalić planetę.

Zarówno wtedy, jak i teraz, budynki i duże konstrukcje są budowane z betonu, materiału fundamentalnego dla naszej cywilizacji. I choć technologia w tej dziedzinie poczyniła ogromne postępy, długoterminowa trwałość z pewnością się cofnęła. Sugeruje to, że „innowacje” w nowoczesnym betonie koncentrowały się bardziej na takich aspektach jak szybkość produkcji niż na trwałości. Nie jest to zatem jedynie brak wiedzy, ale raczej wybór priorytetów, który odzwierciedla dwie różne filozofie – rzymską i naszą – w odniesieniu do budownictwa.

Teraz, gdy znamy już sekrety jego formuły, badanie opublikowane niedawno w czasopiśmie „ iScience ” przez Cell Press skupiło się na zupełnie innym aspekcie i postawiło pytanie, czy „powrót” do betonu rzymskiego mógłby poprawić zrównoważoność współczesnej produkcji betonu, która jest jednym z największych trucicieli na świecie.

Obecnie produkcja betonu ma znaczący wpływ na środowisko, przyczyniając się do zanieczyszczenia powietrza i odpowiadając za około 8% globalnej antropogenicznej emisji CO2 oraz 3% całkowitego światowego zapotrzebowania na energię. Biorąc pod uwagę te dane, poszukiwanie bardziej zrównoważonych alternatyw stało się priorytetem w wyścigu o „dekarbonizację” branży budowlanej. Nie wspominając już o tym, że na przykład rozbiórka budynków uwalnia do atmosfery duże ilości pyłu betonowego, który jest niebezpiecznym zanieczyszczeniem. I właśnie tutaj pojawia się beton rzymski.

Zarówno beton rzymski, jak i współczesny mają jeden wspólny, fundamentalny składnik: wapień. Podgrzany do ekstremalnie wysokich temperatur wapień rozkłada się, uwalniając CO2 i wytwarzając tlenek wapnia. Ten ostatni, w połączeniu z innymi kluczowymi minerałami i wodą, tworzy pastę, która działa jak spoiwo. Współczesny beton powstaje poprzez zmieszanie cementu z różnymi rodzajami piasku i żwiru. Jest on wzmacniany stalowymi belkami (żelbet), czego nie robili Rzymianie .

Beton rzymski, znany jako opus caementicium, był jednak niezwykłym materiałem, który nie wymagał zbrojenia, a jego skład i metoda produkcji radykalnie odróżniały go od współczesnego odpowiednika. Rzymianie używali mieszanki wapna palonego, wody i, co najważniejsze, popiołu wulkanicznego, który nazywali pucolanami. Popiół ten, występujący obficie w miejscach takich jak Pozzuoli, niedaleko Neapolu, nie był jedynie obojętnym wypełniaczem, ale aktywnym składnikiem, który po zmieszaniu z wapnem tworzył matrycę, która nie tylko twardniała, ale także z czasem zyskiwała na wytrzymałości, zwłaszcza w wilgotnym lub morskim środowisku.

Przez długi czas naukowcy zakładali, że kluczem do trwałości rzymskiej architektury była wyłącznie pucolana. Jednak badanie przeprowadzone w 2023 roku przez MIT i Harvard ujawniło kluczowy szczegół: proces „mieszania na gorąco”. Zamiast „gasić” wapno palone wodą przed zmieszaniem, jak to się zazwyczaj robi, Rzymianie dodawali je bezpośrednio do popiołów i kruszywa. Wywoływało to reakcję egzotermiczną, co oznaczało uwalnianie ciepła, tworząc drobne fragmenty wapna palonego, „grudki wapienne”, które wcześniej uważano za zwykłe defekty lub zanieczyszczenia mieszanki. Ale tak nie było; była to przemyślana strategia, prawdziwy przebłysk geniuszu i ostatecznie sekret trwałości ich budynków.

Kiedy w rzymskim betonie pojawiła się rysa i woda deszczowa zdążyła przeniknąć do środka, te drobne fragmenty wapna zareagowały z nią chemicznie, tworząc kryształy węglanu wapnia, które wypełniły i uszczelniły rysę od wewnątrz. Innymi słowy, beton „naprawił się sam”, jakby miał własny „układ odpornościowy”, który pozwalał mu reagować na uszkodzenia, podobnie jak żywe organizmy naprawiają swoje tkanki.

Teraz, gdy tajemnica jest już znana, w niniejszym badaniu zadano pytanie, czy beton rzymski, właśnie ze względu na swoją dużą trwałość, mógłby być bardziej zrównoważoną alternatywą dla dzisiejszego budownictwa.

Autorzy nowego badania, pod kierownictwem inżynier Danieli Martínez z Universidad del Norte w Kolumbii, porównali wpływ obu rodzajów betonu na środowisko. Wykorzystali modele do oszacowania ilości potrzebnych surowców (takich jak wapień i woda) oraz ilości wytwarzanego CO2 i zanieczyszczeń powietrza. Biorąc pod uwagę zmienność rzymskich receptur, porównali wiele starożytnych receptur z różnymi proporcjami wapienia i pucolany. Przeanalizowali również zrównoważony rozwój starożytnych i współczesnych technik produkcji oraz wykorzystanie różnych źródeł energii (paliw kopalnych, biomasy lub energii odnawialnej).

Wyniki były zaskakujące. Wbrew oczekiwaniom okazało się, że produkcja betonu rzymskiego generowała emisję CO2 porównywalną z produkcją współczesnego betonu, a nawet wyższą. „Wbrew naszym początkowym oczekiwaniom” – wyjaśnia Mafrtínez – „wdrożenie receptur rzymskich przy obecnej technologii może nie przynieść znaczącej redukcji emisji ani zapotrzebowania na energię”. Sugeruje to, że samo odtworzenie starożytnej receptury nie jest panaceum na problem emisji.

Badania wykazały jednak jedną zaletę betonu rzymskiego pod względem jakości powietrza. Zastosowanie starożytnej formuły spowodowało zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powietrza, takich jak tlenek azotu i tlenek siarki, czyli substancji szkodliwych dla zdrowia ludzkiego. Redukcje te, wahające się od 11% do 98%, utrzymywały się niezależnie od tego, czy produkcja betonu rzymskiego była zasilana paliwami kopalnymi, biomasą, czy energią odnawialną – przy czym ta ostatnia generowała największą redukcję.

Ale prawdziwą zaletą betonu rzymskiego jest, po raz kolejny, jego wyjątkowa trwałość. I to właśnie tutaj szala przechyla się na jego korzyść jako bardziej zrównoważonej, długoterminowej opcji, zwłaszcza w zastosowaniach o dużym natężeniu ruchu, takich jak drogi i autostrady, które zazwyczaj wymagają regularnej konserwacji i wymiany. „Kiedy weźmiemy pod uwagę żywotność betonu” – mówi Martínez – „właśnie wtedy zaczynamy dostrzegać korzyści”.

Sabbie Miller, inżynier z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis i współautorka badania, podkreśla tę kwestię: „W przypadkach, w których zwiększenie wykorzystania betonu może zmniejszyć zapotrzebowanie na nowe materiały, trwalszy beton ma potencjał zmniejszenia wpływu na środowisko”. Wyobraźmy sobie na przykład nowoczesny most betonowy, który wymaga naprawy lub wymiany co 50 lat, w porównaniu z rzymską konstrukcją, która zachowuje funkcjonalność przez 1000 lat. Mniejsza częstotliwość budowy, rozbiórki i transportu materiałów, połączona z większą trwałością, przekłada się na znaczne oszczędności energii i emisji.

Jednak porównanie to nie jest proste. Współczesny beton jest produkowany dopiero od 200 lat i, w przeciwieństwie do współczesnego betonu zbrojonego, w starożytnych konstrukcjach rzymskich nie stosowano prętów stalowych w celu zwiększenia wytrzymałości. Paulo Monteiro z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, współautor badania, ostrzega: „Korozja zbrojenia stalowego jest główną przyczyną niszczenia betonu, dlatego porównania należy przeprowadzać z dużą ostrożnością”. Obecność zbrojenia metalowego we współczesnym betonie wprowadza złożoną zmienną, która nie występowała w konstrukcjach rzymskich. Korozja stali, będąca wynikiem narażenia na działanie wody i tlenu, może powodować wewnętrzne rozszerzanie się betonu, które powoduje jego pękanie i osłabienie jego integralności strukturalnej.

Propozycja „powrotu” do betonu rzymskiego wywołała już różne reakcje w środowisku naukowym. Manuel F. Herrador, doktor inżynierii lądowej i wodnej oraz profesor konstrukcji betonowych na Uniwersytecie w A Coruña, doceniając jakość badania, podważa oczekiwania. „Receptura betonu rzymskiego jest dobrze znana, ponieważ została udokumentowana” – wyjaśnia Herrador. „Wiemy, że jest to beton trwalszy niż te powszechnie stosowane obecnie, ale także, że jest mniej odporny, wiąże dłużej, wymaga składników (takich jak popiół wulkaniczny), których nie można łatwo uzyskać, a w niektórych z jego najbardziej zaskakujących zastosowań (mam na myśli mieszanki z wodą morską) jest niezgodny ze stalowymi zbrojeniami, które są niezbędne w naszych konstrukcjach z betonu zbrojonego i sprężonego”.

Według tego eksperta, wnioski wyciągnięte z rzymskiego betonu są już wdrażane we współczesnej inżynierii. Obecne przepisy uwzględniają już stosowanie dodatków popiołu, które są w rzeczywistości powszechnie stosowane w konstrukcjach o szczególnych wymaganiach dotyczących trwałości.

Ponadto Herrador wskazuje na obiecujące kierunki badań nad dekarbonizacją cementu, takie jak tzw. „zielone cementy”. Te nowe materiały badają wykorzystanie innych przemysłowych produktów ubocznych, takich jak popiół paleniskowy z wielkich pieców czy odpady z przemysłu drzewnego, oferując innowacyjne sposoby na zmniejszenie śladu węglowego. Godnym uwagi przykładem jest cement z żużla wielkopiecowego (GGBS), który wykorzystuje produkt uboczny produkcji stali, znacznie zmniejszając zapotrzebowanie na klinkier cementu portlandzkiego, składnik o największej emisji. Innym przykładem jest cement z popiołów lotnych, który zawiera pozostałości ze spalania węgla w elektrowniach, co pozwala uniknąć składowania tych materiałów na wysypiskach i wykorzystać ich właściwości pucolanowe.

Badanie jasno jednak pokazuje, że zrównoważony rozwój w budownictwie niekoniecznie oznacza dokładne odwzorowanie starożytnych technik, ale raczej dogłębne zrozumienie ich zasad. Rzymianie budowali z myślą o wieczności, podczas gdy dziś dominuje pośpiech, co skutkuje swoistym „planowanym starzeniem się” wielu naszych budynków. „Możemy wiele nauczyć się od Rzymian” – podsumowuje Daniela Martínez. „Jeśli potrafimy włączyć ich strategie do naszych nowoczesnych, innowacyjnych pomysłów, możemy stworzyć bardziej zrównoważone środowisko”.

W przyszłości naukowcy planują przeprowadzić bardziej szczegółowe analizy, aby porównać wydajność i żywotność betonu rzymskiego i współczesnego w różnych scenariuszach. Celem nie jest po prostu kopiowanie, ale nauka i adaptacja. Naturalna trwałość betonu rzymskiego uczy nas, że długowieczność jest fundamentalnym filarem zrównoważonego rozwoju. Jeśli uda nam się zaprojektować materiały, które, choć początkowo wymagają podobnej energii do produkcji, będą dwa lub trzy razy trwalsze, długoterminowe oszczędności zasobów i redukcja emisji będą ogromne.