Doradztwo budowlane

Beton i morze cz. III: Beton i morze, a starożytni Rzymianie i produkcja betonu w XXI wieku

Zagadka trwałości betonu starożytnych Rzymian i jego receptura były tematem badań wielu archeologów, naukowców i technologów. Trwałość konstrukcji wznoszonych przez starożytnych Rzymian w środowisku morskim w stosunku do obecnie wznoszonych jest znacznie większa. Współczesne konstrukcje morskie ulegają niszczącemu działaniu wody morskiej w stosunkowo szybkim czasie, w przeciwieństwie do budowli sprzed 2000 lat, które to w kontakcie z wodą morską stają się odporniejsze i bardziej trwałe na oddziaływanie morza.

„ […] betonowe budowle w porcie, narażone na ciągłe ataki fal morskich, stają się jednolitą kamienną masą, odporną na działanie fal i z każdym dniem mocniejszą.”

Piliniusz Stary, „Historia naturalna”

Zagadkę tą postanowili sprawdzić i rozwiązać naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory pod kierownictwem Marie Jackson, profesor geologii i geofizyki na Uniwersytecie Utah. Pobrane zostały próbki i za pomocą metod rentgenowskich zmapowane zostały mikrostruktury cementu mineralnego. Oprócz promieni rentgenowskich w swoich badaniach zespół wykorzystał również mikroskop elektronowy. Zgodnie z stwierdzeniem Marie Jackson „zidentyfikowane zostały różne minerały i złożone sekwencje krystalizacji mikronowej”. Marie Jackson wraz z zespołem udało się ustalić, (jak cytuje „American Mineralogist”) że trwałość betonu Cesarstwa Rzymskiego wynika z rzadkiej reakcji chemicznej, która zachodzi w połączeniu składników mineralnych z wodą morską. W konsekwencji tej reakcji powstaje beton odporny m.in na powstawanie pęknięć. Wcześniejsze prace naukowców z zespołu w Berkeley Lab’s Advanced Light Source (ALS), wykazały, że beton Starożytnych Rzymian zawiera kryształy Al-tobermorytu, które w głównej mierze przyczyniły się do wzmocnienia betonu.

Jak opisuje Lawrence Berkeley National Laboratory: „Nowe odkrycia sugerują, że po zużyciu wapna w wyniku tych pucolanowych reakcji chemicznych (nazwanych tak od popiołu wulkanicznego znalezionego w regionie Pozzuoli lub Neapolu we Włoszech), rozpoczął się nowy okres wzrostu minerałów. Nowy wzrost Al-tobermorytu jest często związany z kryształami filipsytu, innego minerału. Minerały tworzą drobne włókna i płytki, które sprawiają, że beton jest bardziej sprężysty i mniej podatny na pękanie w miarę upływu czasu.”

Profesor Marie Jackson zauważyła, że receptura współczesnych mieszanek betonowych znacząco różni się od starożytnej rzymskiej receptury. Receptury betonów współczesnych bazujące na cemencie portlandzkim wykorzystują kruszywo skalne, jednak istotną różnicą w stosunku do betonu Rzymian, jest to że cząstki piasku, żwiru czy tłucznia kamiennego mają być obojętne i ich jakiekolwiek reakcje są niepożądane, ponieważ w ich konsekwencji mogłoby dojść do rozszerzania betonu, co również nie jest zjawiskiem pożądanym.

Jeżeli chodzi o receptę na starożytny beton rzymski, profesor Jackson przestudiowała starożytne teksty rzymskie i jak mówi: „Przepis całkowicie zaginął”. Jak możemy się dowiedzieć z komunikatu prasowego Uniwerysteu Utah Marie Jackson, wraz z inżynierem geologiem Tomem Adamsem, pracuje nad opracowaniem receptury zastępczej, ale przy użyciu materiałów z zachodnich Stanów Zjednoczonych. Woda morska w jej eksperymentach pochodzi z przystani w Berkeley w Kalifornii i została zebrana przez samą Jackson.

Badania prowadzone zarówno przez Marie Jackson, jak również przez Paulo Monteiro profesora inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) )z Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, mogą nie tylko przyczynić się do stworzenia receptury mieszanki betonowej odpornej na działanie środowiska morskiego, ale w dalszej konsekwencji również mogą przyczynić się do ograniczenia wpływu produkcji betonu na środowisko, a w szczególności emisji dwutlenku węgla.

Woda morska i produkcja betonu w XXI wieku

Zarówno naukowcy, jak i technolodzy betonu czy materiałów budowlanych, w większości skupiają się na niszczącym działaniu wody morskiej, a jakby tak ją wykorzystać do mieszanki betonowej…?

Obecnie przy produkcji betonu wykorzystuje się wodę słodką, ale i tutaj możemy spodziewać się problemów w przyszłości. Zagrożeniem dla łatwo dostępnego betonu nie tylko pod względem ceny, ale również możliwości produkcyjnych, jest deficyt wody słodkiej, który dotyka coraz szerszy obszar naszego globu. Dlaczego więc do tej pory nie wykorzystywano właśnie wody morskiej, której mamy pod dostatkiem na naszym globie?

Jak tłumaczy dr hab. inż. Paweł Sikora [9]: „75 proc. światowego zapotrzebowania na wodę słodką do produkcji betonu występuję w regionach, w których w najbliższych latach spodziewany jest niedobór wody. Państwa dotknięte brakiem wody (np. Indie), borykają się z niedoborem zasobów słodkiej wody przede wszystkim do zapewnienia podstawowych potrzeb. Zastosowanie wody morskiej przy produkcji betonu, wiąże się z ryzykiem korozji stali zbrojeniowej, natomiast wykorzystanie zbrojenia alternatywnego z wysokimi kosztami produkcji elementów betonowych, dlatego też możliwość zastosowania wody morskiej była przez wiele lat ograniczona”.

Prace prowadzone przez doktoranta Sundar Rathnarajan z Indian Institute of Technology Madrasna na Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie, w ramach programu POLONEZ BIS, mają to zmienić.

Sundar Rathnarajan jest doktorantem specjalizującym się w badaniach nad korozją betonów i oraz wpływem domieszek do poprawy trwałości betonów cementowych [8] i dzięki finansowaniu z programu, w ramach realizacji projektu pt. „NanoSeaCon” „NanoSeaCon – Sustainable nano-modified seawater-mixed concrete with enhanced service life” (Zrównoważony nano-modyfikowany beton mieszany z wodą morską o wydłużonej trwałości) [9] ma w planach opracowanie betonu zbrojonego zawierającego w swoim składzie wodę morską. Badania będzie prowadził na Katerze Budownictwa Ogólnego, na Wydziale Budownictwa i Inżynierii Środowiska.

Woda morska i beton czy to faktycznie możliwe?

Wszystko zależy od składu mieszanki betonowej. Według [8]: „Dzięki badaniom eksperymentalno-numerycznym, możliwe będzie opracowanie składów mieszanek betonowych z dodatkiem nanomateriałów o silnej reaktywności umożliwiających wiązanie chlorków zawartych w wodzie morskiej, co w konsekwencji zmniejszy bądź zniweluje zjawisko korozji stali zbrojeniowej.”

Jak mówi dr hab. inż. Paweł Sikora [8]: „Badania te nie tylko pozwolą na rozwiązanie problemu zastosowania wody morskiej do produkcji betonu, ale przyczynią się również do opracowania składów mieszanek betonowych o niskim śladzie węglowym.

Zatem wykorzystanie wody morskiej do produkcji betonu jest zagadnieniem wartym zgłębienia i rozwiązania, nie tylko ze względu na deficyt wody słodkiej, ale również ze względów ochrony środowiska i redukcji emisji dwutlenku węgla.

Źródła i literatura:

[1] Polska Norma PN-EN 206+A2 „Beton – Wymagania, właściwości użytkowe, produkcja i zgodność”

[2] „Podstawy projektowania i algorytmy obliczeń konstrukcji żelbetowych” A. Łapko, B.CH. Jensen.

[3] „Zabezpieczenie budowli przed wilgocią, wodą gruntową i korozją” H. Stankiewicz

[4] „Pełna ochrona betonu z wykorzystaniem produktów systemu Penetron. Obiekty kubaturowe i inżynierskie” Kraków 2013

[5] „Naukowcy wyjaśniają zagadkę trwałości starożytnego rzymskiego betonu” A. Popiak, historykon.pl, 5.07.2017

[6] „Naukowcy odkryli przepis na… beton, którego Rzymianie używali 2 tys. lat temu” J-P. Mauro, pl.aleteia, 3.08.2019

[7] „Antyczny beton lepszy niż portlandzki”, Rzeczpospolita, 17.08.2021, T.Nowak

[8] „Naukowiec z Indii zrealizuje swoje badania na Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie”, tu.swinoujscie.pl, 10.06.2022;

[9] „W ZUT powstanie beton zbrojony z wodą morską w składzie”, https://forumakademickie.pl/, 10.06.2022, MK

[10] Lawrence Berkeley National Laboratory: https://newscenter.lbl.gov/2017/07/03/ancient-concrete-could-teach-us-to-do-as-romans-did/

[11] Lawrence Berkeley National Laboratory: https://newscenter.lbl.gov/2013/06/04/roman-concrete/

[12] Komunikat prasowy Uniwersytetu Utah: https://unews.utah.edu/roman-concrete/