ENG: The ancient Romans were masters of engineering, constructing vast networks of roads, aqueducts, ports, and massive buildings, whose remains have survived for two millennia. Many of these structures were built with concrete: Rome’s famed Pantheon, which has the world’s largest unreinforced concrete dome and was dedicated in A.D. 128, is still intact, and some ancient Roman aqueducts still deliver water to Rome today. Meanwhile, many modern concrete structures have crumbled after a few decades. Researchers have spent decades trying to figure out the secret of this ultradurable ancient construction material, particularly in structures that endured especially harsh conditions, such as docks, sewers, and seawalls, or those constructed in seismically active locations.
Now, a team of investigators from MIT, Harvard University, and laboratories in Italy and Switzerland, has made progress in this field, discovering ancient concrete-manufacturing strategies that incorporated several key self-healing functionalities. For many years, researchers have assumed that the key to the ancient concrete’s durability was based on one ingredient: pozzolanic material such as volcanic ash from the area of Pozzuoli, on the Bay of Naples. This specific kind of ash was even shipped all across the vast Roman empire to be used in construction, and was described as a key ingredient for concrete in accounts by architects and historians at the time.
Under closer examination, these ancient samples also contain small, distinctive, millimeter-scale bright white mineral features, which have been long recognized as a ubiquitous component of Roman concretes. These white chunks, often referred to as “lime clasts,” originate from lime, another key component of the ancient concrete mix. Previously disregarded as merely evidence of sloppy mixing practices, or poor-quality raw materials, the new study suggests that these tiny lime clasts gave the concrete a previously unrecognized self-healing capability.
Historically, it had been assumed that when lime was incorporated into Roman concrete, it was first combined with water to form a highly reactive paste-like material, in a process known as slaking. But this process alone could not account for the presence of the lime clasts. Studying samples of this ancient concrete, the team determined that the white inclusions were, indeed, made out of various forms of calcium carbonate. And spectroscopic examination provided clues that these had been formed at extreme temperatures, as would be expected from the exothermic reaction produced by using quicklime instead of, or in addition to, the slaked lime in the mixture. Hot mixing, the team has now concluded, was actually the key to the super-durable nature.
During the hot mixing process, the lime clasts develop a characteristically brittle nanoparticulate architecture, creating an easily fractured and reactive calcium source, which, as the team proposed, could provide a critical self-healing functionality. As soon as tiny cracks start to form within the concrete, they can preferentially travel through the high-surface-area lime clasts. This material can then react with water, creating a calcium-saturated solution, which can recrystallize as calcium carbonate and quickly fill the crack, or react with pozzolanic materials to further strengthen the composite material. These reactions take place spontaneously and therefore automatically heal the cracks before they spread.
RO: Romanii antici au fost maeștri ai ingineriei, construind vaste rețele de drumuri, apeducte, porturi și clădiri masive, ale căror rămășițe au supraviețuit timp de două milenii. Multe dintre aceste structuri au fost construite cu beton: faimosul Panteon al Romei, care are cea mai mare cupolă din beton nearmat din lume și a fost inaugurat în anul 128 d.Hr., este încă intact, iar unele apeducte romane antice livrează apă Romei și astăzi. Între timp, multe structuri moderne din beton s-au prăbușit după câteva decenii. Cercetătorii au petrecut zeci de ani încercând să afle secretul acestui material de construcție antic ultrarezistent, în special în cazul structurilor care au rezistat în condiții deosebit de dure, cum ar fi docurile, canalizările și digurile de protecție a mării, sau cele construite în locuri cu activitate seismică.
Acum, o echipă de cercetători de la MIT, Universitatea Harvard și laboratoare din Italia și Elveția a făcut progrese în acest domeniu, descoperind strategii de fabricare a betonului antic care au încorporat mai multe funcționalități cheie de autovindecare. Timp de mulți ani, cercetătorii au presupus că cheia durabilității betonului antic se baza pe un singur ingredient: material pozzolanic, cum ar fi cenușa vulcanică din zona Pozzuoli, din Golful Napoli. Acest tip specific de cenușă a fost chiar expediat în tot vastul imperiu roman pentru a fi folosit în construcții și a fost descris ca fiind un ingredient cheie pentru beton în relatările arhitecților și istoricilor din acea vreme.
La o examinare mai atentă, aceste mostre antice conțin, de asemenea, mici minerale albe strălucitoare, distincte, la scară milimetrică, care au fost recunoscute de mult timp ca fiind o componentă omniprezentă a betoanelor romane. Aceste bucăți albe, denumite adesea “claste de var”, provin din var, o altă componentă cheie a amestecului de beton antic. Ignorate anterior ca fiind doar dovezi ale unor practici de amestecare neglijente sau ale unor materii prime de proastă calitate, noul studiu sugerează că aceste mici cioburi de var au conferit betonului o capacitate de autovindecare nerecunoscută anterior.
Din punct de vedere istoric, s-a presupus că atunci când varul era încorporat în betonul roman, acesta era mai întâi combinat cu apă pentru a forma un material foarte reactiv, asemănător unei paste, într-un proces cunoscut sub numele de stingere. Dar acest proces nu putea explica singur prezența cioburilor de var. Studiind eșantioane din acest beton antic, echipa a determinat că incluziunile albe erau, într-adevăr, alcătuite din diferite forme de carbonat de calciu. Iar examinarea spectroscopică a oferit indicii că acestea s-au format la temperaturi extreme, așa cum ar fi fost de așteptat în urma reacției exotermice produse de utilizarea varului viu în locul sau în plus față de varul stins în amestec. Amestecul la cald, a concluzionat acum echipa, a fost, de fapt, cheia naturii super-durabile.
În timpul procesului de amestecare la cald, cioburile de var dezvoltă o arhitectură nanoparticulară fragilă caracteristică, creând o sursă de calciu ușor de fracturat și reactiv, care, așa cum a propus echipa, ar putea oferi o funcționalitate critică de autovindecare. De îndată ce mici fisuri încep să se formeze în interiorul betonului, acestea se pot deplasa în mod preferențial prin claste de var cu suprafață mare. Acest material poate reacționa apoi cu apa, creând o soluție saturată de calciu, care se poate recristaliza sub formă de carbonat de calciu și poate umple rapid fisura, sau poate reacționa cu materiale pozzolanice pentru a consolida și mai mult materialul compozit. Aceste reacții au loc în mod spontan și, prin urmare, vindecă automat fisurile înainte ca acestea să se extindă.
Source (MIT News, “Riddle solved: Why was Roman concrete so durable?”, 06.01.2023)
