Omkring år 79 e.Kr. Den romerske författaren Plinius den äldre skrev i sin Naturalis Historia att betongkonstruktioner i hamnar, utsatt för det ständiga anfallet av saltvattenvågorna, bli "en enda stenmassa, ointaglig för vågorna och starkare för varje dag."

Han överdrev inte. Medan moderna marina betongkonstruktioner faller sönder inom decennier, 2, 000 år gamla romerska bryggor och vågbrytare består till denna dag, och är starkare nu än när de först byggdes. University of Utah geolog Marie Jackson studerar mineraler och mikroskala strukturer av romersk betong som hon skulle göra en vulkanisk sten. Hon och hennes kollegor har funnit att havsvatten som filtreras genom betongen leder till tillväxten av sammankopplade mineraler som ger betongen extra sammanhållning. Resultaten publiceras idag i Amerikansk mineralog.

Romersk betong vs. Portlandcement

Romarna gjorde betong genom att blanda vulkanaska med kalk och havsvatten för att göra en murbruk, och sedan införliva i murbruket bitar av vulkanisk sten, "aggregatet" i betongen. Kombinationen av aska, vatten, och bränd kalk producerar vad som kallas en puzzolanreaktion, uppkallad efter staden Pozzuoli i Neapelbukten. Romarna kan ha fått idén till denna blandning från naturligt cementerade vulkaniska askavlagringar som kallas tuff som är vanliga i området, som Plinius beskrev.

Den konglomeratliknande betongen användes i många arkitektoniska strukturer, inklusive Pantheon och Trajanus marknader i Rom. Massiva marina strukturer skyddade hamnar från öppet hav och fungerade som omfattande ankarplatser för fartyg och lager.

Modern Portland cementbetong använder också stenmaterial, men med en viktig skillnad:sand- och gruspartiklarna är avsedda att vara inerta. Varje reaktion med cementpastan kan bilda geler som expanderar och spricker betongen.

"Denna alkali-kiseldioxidreaktion inträffar över hela världen och det är en av huvudorsakerna till förstörelse av portlandcementbetongkonstruktioner, " säger Jackson.

Återupptäcker romersk betong

Jacksons intresse för romersk betong började med ett sabbatsår i Rom. Hon studerade först tuffar och undersökte sedan vulkanisk aska, blir snart fascinerade av deras roller i att producera den anmärkningsvärda hållbarheten hos romersk betong.

Tillsammans med kollegor, Jackson började studera de faktorer som gjorde arkitektonisk betong i Rom så motståndskraftig. En faktor, hon säger, är att mineraltillväxterna mellan ballasten och murbruket förhindrar att sprickor förlängs, medan ytorna av icke-reaktiva aggregat i Portlandcement bara hjälper sprickor att fortplanta sig längre.

I en annan studie av borrkärnor av romersk hamnbetong som samlades in av ROMACONS-projektet 2002-2009, Jackson och kollegor hittade ett exceptionellt sällsynt mineral, aluminiumhaltig tobermorit (Al-tobermorite) i marinbruket. Mineralkristallerna bildades i kalkpartiklar genom puzzolanreaktion vid något förhöjda temperaturer. Närvaron av Al-tobermorite överraskade Jackson. "Det är väldigt svårt att göra, " säger hon om mineralet. Att syntetisera det i laboratoriet kräver höga temperaturer och resulterar i endast små mängder.

Havsvattenkorrosion

För den nya studien, Jackson och andra forskare återvände till ROMACONS borrkärnor, undersöka dem med en mängd olika metoder, inklusive mikrodiffraktion och mikrofluorescensanalyser vid Advanced Light Source beamline 12.3.2 vid Lawrence Berkeley National Laboratory. De fann att Al-tobermorite och ett besläktat zeolitmineral, phillipsite, bildas i pimpstenspartiklar och porer i cementeringsmatrisen. Från tidigare arbete, teamet visste att den puzzolaniska härdningen av romersk betong var kortlivad. Något annat måste ha fått mineralerna att växa vid låg temperatur långt efter att betongen härdat. "Ingen har producerat tobermorit vid 20 grader Celsius, säger hon. Åh — utom romarna!

"Som geologer, vi vet att stenar förändras, " säger Jackson. "Förändring är en konstant för jordmaterial. Så hur påverkar förändringen hållbarheten hos romerska strukturer?"

Teamet drog slutsatsen att när havsvatten sipprade genom betongen i vågbrytare och i bryggor, det löste upp komponenter i vulkanaskan och tillät nya mineraler att växa från de mycket alkaliska urlakade vätskorna, särskilt Al-tobermorite och phillipsite. Denna Al-tobermorite har kiseldioxidrika kompositioner, liknar kristaller som bildas i vulkaniska bergarter. Kristallerna har platta former som förstärker den cementerande matrisen. De sammanlåsande plattorna ökar betongens motståndskraft mot sprödbrott.

Jackson säger att denna korrosionsliknande process normalt skulle vara en dålig sak för moderna material. "Vi tittar på ett system som strider mot allt man inte skulle vilja ha i cementbaserad betong, " säger hon. "Vi tittar på ett system som trivs i öppet kemikalieutbyte med havsvatten."

Modern romersk betong

Med tanke på hållbarhetsfördelarna med romersk betong, varför används det inte oftare, särskilt eftersom tillverkning av portlandcement ger betydande koldioxidutsläpp?

"Receptet var helt förlorat, " säger Jackson. Hon har ingående studerat antika romerska texter, men har ännu inte avslöjat de exakta metoderna för att blanda den marina morteln, för att helt återskapa betongen.

"Romarna hade tur i den typ av sten de var tvungna att arbeta med, " säger hon. "De observerade att vulkanisk aska växte cement för att producera tuffen. Vi har inte dessa stenar i många delar av världen, så det måste göras byten."

Hon arbetar nu med geologisk ingenjör Tom Adams för att utveckla ett ersättningsrecept, dock, med material från västra USA. Havsvattnet i hennes experiment kommer från Berkeley, Kalifornien, marina, insamlad av Jackson själv.

Romersk betong tar tid att utveckla styrka från havsvatten, och har mindre tryckhållfasthet än typisk Portlandcement. Av dessa skäl, det är osannolikt att romersk betong kan bli utbredd, men kan vara användbar i särskilda sammanhang.

Jackson vägde nyligen in på en föreslagen tidvattenlagun som ska byggas i Swansea, Storbritannien, att utnyttja tidvattenkraften. Lagunen, hon säger, skulle behöva vara i drift i 120 år för att få tillbaka kostnaderna för att bygga den. "Du kan föreställa dig att med hur vi bygger nu, det skulle vara en massa korroderande stål vid den tiden." En romersk betongprototyp, å andra sidan, kunde förbli intakt i århundraden.

Jackson säger att medan forskare har svarat på många frågor om betongens murbruk, de långsiktiga kemiska reaktionerna i ballastmaterialen förblir outforskade. Hon har för avsikt att fortsätta arbetet med Plinius och andra romerska forskare som arbetat ihärdigt för att upptäcka hemligheterna med deras betong. "Romarna var bekymrade över detta, " säger Jackson. "Om vi ​​ska bygga i havet, vi borde bry oss om det också."