Za neuvěřitelnou trvanlivostí římského betonu stojí sopečný popel, mořská voda a drcené sopečné horniny. Tajemství, které se dlouho skrývalo. Jinak by totiž šlo pouze o směs vápence (páleného vápna) s vodou, která by sama o sobě trvanlivá být nemohla v žádném případě. Například koloseum, při jehož stavbě byl římský beton též použit, stojí již 2000 let. A nádhernou betonovou kopuli Pantheonu zná určitě také každý. Největší překvapení však přinesl takzvaný beton "přístavní". Tvrdne stále!
Beton, kompozitní stavební materiál, který se skládá z pojiva, plniva, vody, přísad a příměsí, po jehož zatuhnutí (hydrataci) vznikne pevný umělý slepenec. Dnes je nejčastěji používaným betonem takzvaný beton cementový (CB), v jehož případě je pojivem cement a plnivem kamenivo (nejčastěji takzvaný betonářský písek frakce 0-4 mm, pro zpevnění se však přidává i štěrk). Hojně užívaný je také takzvaný beton asfaltový. Beton má však dlouhou historii, jeho existence byla opět zapomenuta (a nebo se šířila jen potají) a poté byl znovu vynalezen. Vše přitom začali již staří Římané, a že nešlo o beton ledajaký, ten římský totiž stárnutím stále tvrdne.
)
Historie betonu ve zkratce
Ve staré Asýrii se jako pojivo používal jíl, v Egyptě sádra, skutečný zlom ale nastal ve starém Římě. Zde byl použit první hydraulický beton, který se podobal tomu současnému, čili s pojivy na bázi hydraulických vápen, přírodního nebo portlandského cementu. Vynález je datován do republikánského období starověkého Říma (cca okolo roku 200 př. n. l.). Není zcela jisté, kdy se do Říma užití betonu dostalo, respektive, kdo jej vynalezl. Ovšem někdy kolem roku 150 před n.l. je jednoznačně dokázáno, že šlo o obecně užívaný a dobře známý materiál. V tu dobu byl používán jako materiál na výrobu pojiva sopečný produkt pucolán - puzzolano (přírodní hydraulický cement vynikajících vlastností).
)
Hlinka zvaná puzzolano vznikla přírodní cestou vypálením slínu (vápnitého jílovce) žhavou lávou tekoucí z blízké sopky a jeho další přeměnou působením horkých roztoků. Obsahovala ve správných poměrech všechny složky, které má dnešní portlandský cement, čili silikáty, alumosilikáty a oxidy alkalických kovů a alkalických zemin schopné hydratace.
Robert Graves napsal v knize Claudius Bůh a jeho žena Messalina: "Strach mu zbystřil mozek a po osmi dnech zběsilého experimentování vynalezl speciální cementový prášek, který ztvrdl jako skála, jakmile přišel do styku s mořskou vodou. Bylo to směs obyčejného cementového prášku z cementáren v Cumách se zvláštním prachem z pahorků z okolí Puteol, a tak tvar té obeliskové lodi je teď zvěčněn v tom nejtvrdším kameni, jaký je možno si představit, v ústí ostijského zálivu." Pravda, jde o představivost autora, vynález vznikal zajisté jinak, ale příběh je to zajímavý. Vzbuzuje představivost.
)
Díky vynálezu mohly být postaveny přístavní hráze, akvadukty, mosty a další stavby v celé oblasti Středomoří. Z nejmohutnějších staveb antiky, při kterých byl beton využit, zmiňme například obrovskou monolitickou kopuli na Pantheonu v Římě (vytvořena technologií litého betonu za sedm let 118–125 n. l. ) průměru 43,3 metru a hmotnosti cca 5000 tun. Ještě o 1500 let později byly kopule srovnatelných rozměrů stavěné technologií kamenné klenby. Se zánikem Římské říše však byla tato znalost zapomenuta, tedy znalost hydraulických pojiv.
Doba, po kterou lidé znalost betonu znovu získávali, byla neuvěřitelně dlouhá. S překvapením se analýzami zjistilo že například původní zdivo Karlova mostu v Praze (VŠCHT, 2008) je příkladem pokračování antické tradice použití vysoce kvalitních malt (betonů) s hydraulickým pojivem. Předpokládá se, že kvůli utajování skutečných postupů byly zveřejňovány falešné receptury (pověstné přidávání vajíček a jiných organických materiálů). Ovšem až teprve v novověku použil poprvé moderní portlandský cement v roce 1756 oficiálně britský inženýr John Smeaton. V roce 1907 Thomas Alva Edison poprvé zavedl lití betonu do konstrukce a v Čechách byl beton použit do základů stavby poprvé v roce 1912 v Praze při stavbě budovy akademie věd.
Míchačky pak byly na stavbách zaváděny ve dvacátých letech minulého století především kvůli míchání betonu, ruční míchání vápenných malt problém nebyl. Ovšem potřeba přesného poměru a stále stejné kvality v případě betonu (např. železobetonové nosníky) byla při ruční práci vyloučena. Obyčejné vápenné malty jinak běžně míchaly ženy, jelikož šlo o lacinou pracovní sílu.
)
Zpět k tajemství římského betonu
Odborníkům dlouho nedalo spát, jak je možné, že se monumentální římské stavby dožily dnešních dnů v neuvěřitelně dobrém stavu a vůbec nehrozí, že by spadly, zatímco mnohé moderní budovy v takové kondici nejsou, byť byl při jejich výstavbě také použit beton. Jako výrazně zchátralé se jeví například již po půl století, ale i dříve. Některé dokonce začnou chátrat již po pár letech.
Problém je v tom, že staří Římané chápali pod pojmem beton něco zcela odlišného, nikoli směs cementu, písku a vody, případně ještě příměs štěrku pro zpevnění. Používali směs vápence (páleného vápna) s vodou, do které přidávali sopečný popel, nejčastěji pak popel z erupce staré cca 450.000 let v lokalitě přibližně 20 kilometrů na jih od Říma. Podle vědců právě tento popel stojí za vysokou trvanlivostí římského betonu. Vznikla specifická struktura, která měla mnohem vyšší odolnost vůči zvětrávání. Sopečný popel se jako pojivo ukázal být velmi šťastným řešením, v mnohém dokonce překonával i současný cement.
)
Ani to však není celá pravda, jak se ukázalo. Další tajemství se totiž ukrývalo ve slově voda. Nešlo o běžnou vodu, ale o vodu mořskou. Tato voda reaguje s vulkanickou horninou a vytvoří se tak další minerály, které materiál ještě více zpevňují. Beton pak dokázal odolávat i mořským vlnám.
Ve skutečnosti je to však ještě složitější. Některý římský beton totiž stále tvrdne. Tajemstvím je další příměs, totiž drť z vulkanických hornin. Američtí vědci na stránkách magazínu American Mineralogist zveřejnili, že mořská voda reaguje v cementu s vulkanickou horninou a vytváří nové minerály, které beton dále zpevňují.
Geoložka Marie Jacksonová z univerzity v Utahu uvedla v magazínu American Mineralogist: „Svou metodu rozvíjeli velmi dlouho, ale byli to mimořádně inteligentní lidé a nakonec uspěli.“ Najdeme dokonce i historické písemné důkazy. Plinius Starší ve své nejslavnější přírodovědné encyklopedii (37 svazkové Naturalis Historia) uvádí: „vzdoruje i mořským vlnám a den ze dne sílí“.
Tým vědců již dříve analyzoval vzorky betonu z přístavních hrází a nalezl v nich velmi ojedinělý druh minerálu, takzvaný toberomorit hlinitý. A ten lze připravit opravdu jen obtížně. Soudilo se, že musel začít vznikat hned v první fázi smíchání cementu a jeho tvorbu usnadnilo teplo z chemické reakce. Zjistilo se však, že toberomorit se dál rozrůstal strukturou betonu a vytvářel v něm zpevňující mřížku. Navíc vědci v jeho sousedství objevili další minerál, phillipsit.
)
Ukázalo se, že mořská voda postupně rozpustila vulkanické krystaly i vyvřelé sklo a nahradila je zmíněnými minerály. Proto se „přístavní“ beton v čase zpevňoval a vznikající praskliny se samovolně zaplňovaly. Šlo o promyšlený záměr založený na dlouhodobém zkoumání a nebo pouhou náhodu? Oproti tomu moderní beton, který chemicky vychází pouze z portlandského cementu, po zatvrdnutí již žádné změny neprodělává. Jakékoli povětrnostní vlivy pak jeho strukturu již jen rozrušují.
Zjistilo se tedy, že korozivní procesy mohou vytvořit obohacený mineralizovaný cement a zpevnit tento materiál pro budoucí staletí, ale i tisíciletí. Tento objev je obzvláště významný pro přístavní stavby, ovšem mění pohled na beton jako takový ve všech směrech. Vědci proto též doporučili mnohem větší využití vulkanických materiálů ve stavebnictví.
Ve Wikipedii se o problematice doslovně uvádí: Jaké je tedy konkrétní vysvětlení tohoto nevšedního jevu? Příčinou tvrdosti římského betonu je velmi vzácný minerál toberomorit hlinitý, který lze připravit jen se značnými obtížemi. Tento minerál vznikal při míchání sopečného popela a jeho působení se posilovalo teplem vznikajícím při schnutí betonu. Toberomorit se pak prorostl strukturou betonu a vytvořil v něm zpevňující mřížku. Mořská voda pak rozpustila vulkanické krystaly i vyvřelé sklo a nahradila jej minerálem s názvem phillipsit a zmíněným toberomoritem, což je v podstatě dokonalé brnění proti mořské vodě. Dnešní beton pak žádnou reakci s vodou po vytvrdnutí neprodělává a pouze je degradován. Římský beton byl degradován také, ale degradace vedla naopak k jeho zpevnění. Toto zjištění z roku 2017 může změnit náhled na fungování betonu a jeho užití ve specializovaných stavbách. Sopečný popel je totiž poměrně hojným materiálem a jeho spotřeba je ve srovnání s moderním cementem jen desetinová, přičemž při přípravě navíc není nutno vyvinout teplotu 1450 stupňů, ale jen 900, což přináší významné úspory topiv a paliv. Nezapomeňme také, že regenerující se beton, to je sen každého stavbaře. Zkrátka další zkoumání římských materiálů může významně obohatit stavebnictví i v 21.století.
)
A současná praxe? Například český vědec Škvára úspěšně experimentuje s betonem bez cementu. V Severní Americe přitom probíhají experimenty s užíváním něčeho, čemu se říká energeticky modefikovaný cement. Jde vlastně o lehce vylepšený římský beton, který využívá kalifornský sopečný materiál a portlandský cement. Materiál dosahuje pevnosti stejné jako tradiční beton, ale při delší trvanlivosti a lepších enviromentálních podmínkách. Lidstvo se tak po dvou tisíciletích vrací ke svým kořenům. Tedy těm betonářským.
Zdroj: techfocus.cz, wikipedia.org, plus.rozhlas.cz, antickysvet.cz, minsocam.org
)
